DE10117889A1 - Leiterrahmen und Gehäuse für ein strahlungsemittierendes Bauelement, strahlungsemittierendes Bauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Leiterrahmen und Gehäuse für ein strahlungsemittierendes Bauelement, strahlungsemittierendes Bauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung

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Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Leiterrahmen (2) und ein Gehäuse sowie ein damit gebildetes strahlungsemittierendes Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. DOLLAR A Der Leiterrahmen weist dabei ein Trägerteil mit mindestens einem Bonddrahtanschlußbereich (10) und mindestens einem elektrischen Lötanschlußstreifen (3a, b) auf, in das ein separat gefertigtes thermisches Anschlußteil (4) eingeknüpft ist, das einen Chipmontagebereich (11) aufweist. Zur Bildung eines Gehäuses ist der Leiterrahmen (2) vorzugsweise mit einer Formmasse umhüllt, wobei das thermische Anschlußteil so eingebettet wird, daß es von außen thermisch anschließbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leiterrahmen nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1, ein Gehäuse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14, ein strahlungsemittierendes Bauele­ ment nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 23 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 33.

Leiterrahmen für strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente sind beispielsweise aus DE 196 36 454 bekannt. Die hierin be­ schriebenen Halbleiterbauelemente weisen einen Gehäusegrund­ körper mit darin eingebettetem Leiterrahmen sowie einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper auf, der auf den Leiterrahmen montiert ist. Der Leiterrahmen und der Gehäuse­ grundkörper sind zugleich als Reflektor für die erzeugte Strahlung ausgebildet.

Weiterhin sind aus dem Gehäusegrundkörper ragende Teilberei­ che des Leiterrahmens als externe elektrische Anschlußstrei­ fen gebildet und ist das Gehäuse so geformt, daß das Bauele­ ment zur Oberflächenmontage geeignet ist. Um eine gute Ablei­ tung der entstehenden Verlustwärme, insbesondere bei Halblei­ terbauelementen mit hoher Leistung, zu erreichen, kann ein Teil des Reflektors als thermischer Anschluß aus dem Gehäuse­ grundkörper herausgeführt sein.

Bei Bauelementen mit hohen optischen Leistungen und entspre­ chend großen Verlustleistungen ist eine noch effizientere Art der Wärmeableitung wünschenswert beziehungsweise erforder­ lich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei strahlungs­ emittierenden Bauelementen eine verbesserte Wärmeableitung zu schaffen, die insbesondere die Erzeugung hoher optischer Lei­ stungen im Bauelement zuläßt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren hierfür anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Leiterrahmen gemäß Patentan­ spruch 1, ein Gehäuse gemäß Patentanspruch 14, ein strah­ lungsemittierendes Bauelement gemäß Patentanspruch 23 bezie­ hungsweise ein Verfahren gemäß Patentanspruch 33 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen Leiterrahmen für ein strahlungsemittierendes Bauelement, bevorzugt eine Lichtemis­ sionsdiode, mit mindestens einem Chipmontagebereich, minde­ stens einem Drahtanschlußbereich und mindestens einem exter­ nen elektrischen Anschlußstreifen, beispielsweise zum Montie­ ren und elektrischen Anschließen des Bauelements auf einer Leiterplatte, auszubilden, wobei ein Trägerteil vorgesehen ist, das den Drahtanschlußbereich und den elektrischen An­ schlußstreifen aufweist und in das ein getrennt vom übrigen Leiterrahmen separat gefertigtes thermisches Anschlußteil eingeknüpft ist, auf dem der Chipmontagebereich angeordnet ist. Bei einem Bauelement mit einem derartigen Leiterrahmen wird die im Betrieb entstehende Verlustwärme vor allem über das thermische Anschlußteil abgeführt. Vorzugsweise ist das thermische Anschlußteil mit dem Trägerteil elektrisch leitend verbunden und dient gleichzeitig als elektrischer Anschluß für den Chip.

Das separat von dem übrigen Leiterrahmen gefertigte thermi­ sche Anschlußteil weist dabei den Vorteil auf, daß es wesent­ lich besser hinsichtlich Aufnahme und Ableitung größerer Ver­ lustwärmemengen optimiert werden kann als ein einstückiger Leiterrahmen. So kann bei einem solchen thermischen Anschluß­ teil die Dicke, die Wärmeleitfähigkeit, der thermische Ausdehnungskoeffizient und die thermische Anschlußfläche wei­ testgehend unabhängig von den Anforderungen an den übrigen Leiterrahmen optimiert werden. Insbesondere kann bei dem thermischen Anschlußteil vorteilhafterweise eine hohe Wärme­ kapazität erreicht werden, so daß das thermische Anschlußteil eine effiziente Wärmesenke bildet. Eine große thermische An­ schlußfläche verringert den Wärmeübergangswiderstand und ver­ bessert so die Wärmeleitung und die Wärmeabgabe an die Umge­ bung.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Trägerteil eine Einlegeöffnung, beispielsweise in Form einer Klammer oder Öse, auf, in die das thermische Anschlußteil eingeknüpft ist. Hierunter ist zu verstehen, daß das thermi­ sche Anschlußteil in die Einlegeöffnung des Leiterrahmens eingesetzt und umfangsseitig mit dem Leiterrahmen verbunden ist.

Dazu kann das thermische Anschlußteil in das Trägerteil bei­ spielsweise geklammert und/oder mit diesem verquetscht oder vernietet sein, wobei eine Quetschverbindung durch hohe me­ chanische Festigkeit und gute elektrische Leitfähigkeit aus­ gezeichnet ist. Auch eine Löt- oder Schweißverbindung zwi­ schen dem thermische Anschlußteil und dem Trägerteil ist hierfür geeignet.

Mit Vorteil wird so ein mechanisch stabiles Gerüst für das Halbleiterbauelement gebildet, das mit vergleichsweise gerin­ gem technischem Aufwand herstellbar ist.

Bevorzugt weist das thermische Anschlußteil eine Reflektor­ wanne auf. Bei einem damit gebildeten Bauelement verbessert das thermische Anschlußteil die Strahlungsausbeute und die Strahlbündelung des Bauelements. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung wird vorzugsweise ein metallisches thermisches An­ schlußteil verwendet, da sich Metallflächen aufgrund geringer Absorptionsverluste und einer stark gerichteten, gegebenenfalls spiegelnden Reflexion sehr gut als Reflektorflächen eignen.

Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität, insbesondere bei einem im folgenden noch genauer erläuterten Gehäuse bzw. Bau­ element, ist es vorteilhaft, die Höhe der Reflektorwanne des thermische Anschlußteils so zu bemessen, daß sie die doppelte Höhe des zur Anordnung auf dem Chipmontagebereich vorgesehe­ nen Chips nicht übersteigt.

Als Material für das thermische Anschlußteil eignen sich auf­ grund der hohen Wärmeleitfähigkeit Metalle, insbesondere Kup­ fer oder Aluminium oder hieraus gebildete Legierungen. Wei­ terhin bevorzugte Materialen sind Molybdän, Eisen, Nickel und Wolfram sowie NiFe- und CuWo-Legierungen, deren thermischer Ausdehnungskoeffient gut an den thermischen Ausdehnungs­ koeffienten von Halbleitermaterialien wie beispielsweise GaAs, GaN und darauf basierenden Systemen, angepaßt ist. Wei­ ter eignen sich als Material für das thermische Anschlußteil Keramiken und Halbleiter wie beispielsweise Silizium. Das thermische Anschlußteil kann auch mehrlagig, beispielsweise als Metall-Keramik-Verbundsystem gebildet sein.

Bevorzugt ist die Chipmontagefläche des thermischen Anschluß­ teils mit einer Vergütung versehen, die die Oberflächeneigen­ schaften hinsichtlich der Aufbringung eines Chips (Bondeigen­ schaften) verbessert. Diese Vergütung kann beispielsweise eine Silber- oder Goldbeschichtung umfassen.

Weitergehend ist es vorteilhaft, auch den Lötanschlußsteifen bzw. den Bonddrahtanschlußbereich mit einer die Löt- bzw. Bondeigenschaften verbessernden Oberflächenvergütung, bei­ spielsweise einer Au-, Ag- Sn- oder Zn-Beschichtung, zu ver­ sehen.

Das Trägerteil enthält vorzugsweise Kupfer oder Weicheisen und kann beispielsweise aus entsprechenden Folien gestanzt werden. Mit Vorteil dient das Trägerteil bei der Erfindung nicht der Wärmeableitung und kann daher für die Funktion der Stromversorgung sowie hinsichtlich seiner Biegeeigenschaften und Haftung einer im folgenden noch genauer beschriebenen Formmasse optimiert werden.

Dies umfaßt beispielsweise, daß das Trägerteil in seiner Dicke so ausgeführt ist, daß es aus einem Trägerband von der Rolle gefertigt, leicht gestanzt und in Form gebogen werden kann. Derartige Verarbeitungseigenschaften erlauben mit Vor­ teil eine automatisierte Fertigung und eine dichte Anordnung (geringer Pitch) der Einzelkomponenten auf dem Trägerband.

Die hierfür erforderliche geringe Dicke des Trägerteils er­ schwert in der Regel eine ausreichende Kühlung des Chips. Insbesondere ist aus Gründen der mechanischen Stabilität der Querschnitt eines thermischen Anschlusses begrenzt. Dieser Nachteil wird bei der Erfindung durch das eingeknüpfte ther­ mische Anschlußteil behoben.

Bevorzugt ist bei der Erfindung zur Ausbildung eines Gehäuses für ein strahlungsemittierendes Bauelement der Leiterrahmen von einem Gehäusegrundkörper umschlossen. Vorzugsweise ist dazu der Leiterrahmen in eine den Gehäusegrundkörper bildende Formmasse, beispielsweise eine Spritzguß- oder Spritzpreß­ masse eingebettet. Dies erlaubt eine kostengünstige Herstel­ lung des Gehäuses im Spritzguß- oder Spritzpressgußverfahren. Die Formmasse besteht beispielsweise aus einem Kunststoffma­ terial auf der Basis von Epoxidharz oder Acrylharz, kann aber auch aus jedem anderen für den vorliegenden Zweck geeigneten Material bestehen. Zur Wärmeableitung ist es vorteilhaft, das thermische Anschlußteil so einzubetten, daß es teilweise aus dem Gehäusegrundkörper ragt oder einen Teil von dessen Ober­ fläche bildet und somit von außen thermisch anschließbar ist.

Vorzugsweise ist in dem Gehäusegrundkörper eine Ausnehmung in Form eines Strahlungstrittsfensters gebildet und das thermische Anschlußteil derart in den Gehäusegrundkörper eingebet­ tet, daß der Chipmontagebereich innerhalb des Strahlungsaus­ trittsfensters angeordnet ist. Beispielsweise kann der Chip­ montagebereich eine Begrenzungsfläche des Strahlungsaus­ trittsfensters bilden.

Diese Gehäuseform eignet sich insbesondere für oberflächen­ montierbare Bauelemente, wobei die dem Strahlungsaustritts­ fenster gegenüberliegenden Seite oder eine Seitenfläche des Gehäusegrundkörpers eine Auflagefläche des Bauelements bil­ det. Bevorzugt erstreckt sich das eingebettete thermische An­ schlußteil bis zu dieser Auflagefläche, so daß über die Auf­ lagefläche zugleich die Verlustwärme, beispielsweise an einen Kühlkörper oder ein PCB (printed circuit board, Leiterplatte) abgeführt wird. Dabei ist es vorteilhaft, das thermische An­ schlußteil so auszuführen, daß ein Teil seiner Oberfläche zu­ gleich die Auflagefläche oder eine Teilfläche hiervon bildet.

Zur Steigerung der Strahlungsausbeute kann das Strahlungsaus­ trittsfenster in dem Gehäusegrundkörper konisch geformt sein, so daß dessen Seitenwände einen Reflektor bilden. Durch die­ sen Reflektor können von einer auf dem Chipmontagebereich be­ findlichen Strahlungsquelle zur Seite emittierte Strahlungs­ anteile zur Hauptabstrahlungsrichtung hin umgelenkt werden. Damit wird eine Erhöhung der Strahlungsausbeute und eine ver­ besserte Bündelung der Strahlung erreicht.

Vorteilhaft ist bei dem Reflektor eine Formgebung, bei der das thermische Anschlußteil einen ersten Teilbereich des Re­ flektors bildet, an den sich ein zweiter, von den Seitenwän­ den des Strahlungsaustrittsfensters geformter Reflektorteil­ bereich anschließt. Bevorzugt ist die Gesamthöhe des Reflek­ tors geringer als die vierfache Höhe eines zur Befestigung auf dem Chiptnontagebereich vorgesehenen Chips. Dies gewähr­ leistet eine hohe mechanische Stabilität und limitiert die aufgrund von Temperaturänderungen auftretenden Spannungen, wie sie beispielsweise bei Lötprozessen entstehen, auf ein tolerables Maß.

Bei der Erfindung ist weiter vorgesehen, mit einem erfin­ dungsgemäßen Leiterrahmen oder Gehäuse ein strahlungsemittie­ rendes Bauelement mit verbesserter Wärmeableitung zu bilden. Ein solches Bauelement weist einen strahlungsemittierenden Chip, vorzugsweise einen Halbleiterchip, auf, der auf dem Chipmontagebereich des thermischen Anschlußteils angeordnet ist.

Bevorzugt ist der Chip zumindest teilweise von einer Verguß­ masse umhüllt. Besonders bevorzugt ist diese Ausführungsform für Gehäuse mit einem in einem Strahlungsaustrittsfenster an­ geordneten Chip, wobei das Strahlungsaustrittsfenster ganz oder teilweise mit der Vergussemasse gefüllt ist. Als Verguß eignen sich insbesondere Reaktionsharze wie beispielsweise Epoxidharze, Acrylharze oder Siliconharze oder Mischungen hiervon. Weitergehend können dem Verguß Leuchtstoffe zuge­ setzt sein, die die von dem Chip erzeugte Strahlung in einen anderen Wellenlängenbereich konvertieren. Diese Ausführungs­ form eignet sich insbesondere für mischfarbiges oder weißes Licht abstrahlende Bauelement.

Um thermische Verspannungen zwischen Gehäuse, Chip und Verguß gering zu halten und insbesondere eine Delamination der Ver­ gußabdeckung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, das Vergußvo­ lumen V so zu wählen, daß bezüglich der Höhe H des Chips die Relation

V ≦ q.H

erfüllt ist. Dabei bezeichnet q einen Skalierungsfaktor, des­ sen Wert kleiner als 10 mm2 ist und vorzugsweise 7 mm2 be­ trägt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Leiterrahmen in ein erstes und ein zweites elektrisches An­ schlußteil gegliedert, wobei das thermische Anschlußteil in das erste elektrische Anschlußteil eingeknüpft und der Bond­ drahtanschlußbereich auf dem zweiten elektrischen Anschluß­ teil ausgebildet ist. Zur elektrischen Versorgung ist von ei­ ner Kontaktfläche des Chips eine Drahtverbindung zu dem Bond­ drahtanschlußbereich geführt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauele­ ments beginnt mit der Bereitstellung eines Trägerteiles, das beispielsweise zuvor aus einem Band oder einer Folie gestanzt wurde.

Im nächsten Schritt wird ein separat gefertigtes thermisches Anschlußteil in eine dafür vorgesehene Öffnung des Träger­ teils eingeknüpft. Nachfolgend wird der Chip auf das thermi­ sche Anschlußteil montiert, beispielsweise durch Aufkleben mittels eines elektrisch leitfähigen Haftmittels oder durch Auflöten. Abschließend wird der so gebildete Leiterrahmen mit einer geeigneten Gehäuseformmasse zur Ausbildung des Gehäuses umhüllt, beispielsweise in einem Spritzguß- oder Spritzpreß­ verfahren.

Die Montage des Chips auf den Leiterrahmen vor dem Umspritzen hat den Vorteil, daß hierfür auch Hochtemperaturverfahren, beispielsweise Lötverfahren, angewendet werden können. Ange­ spritzte Gehäuseteile könnten bei derartigen Temperaturen beschädigt werden. Falls dies nicht relevant ist, können die Verfahrensschritte selbstverständlich auch in anderer Reihen­ folge durchgeführt werden.

Bei einer Montage des Chips auf den Leiterrahmen vor dem Um­ spritzen kann der Chip insbesondere bei Temperaturen über 260°C mittels eines Hartlötverfahrens aufgebracht werden. Da­ mit wird ein besonders niedriger Wärmewiderstand zwischen Chip und Leiterrahmen erreicht. Zudem wird eine sehr temperaturbeständige Verbindung zwischen Chip und thermischem An­ schlußteil geschaffen und insbesondere beim Einlöten des Bau­ elements bei typischen Temperaturen bis etwa 260°C die Gefahr einer Ablösung des Chips verringert.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von fünf Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a und 1b eine schematische Aufsicht bzw. Schnittan­ sicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungs­ gemäßen Leiterrahmens,

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungs­ gemäßen Gehäuses,

Fig. 3 eine schematische, perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemä­ ßen. Gehäuses,

Fig. 4 eine schematische, perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements und

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt eines zweiten Aus­ führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauele­ ments.

Der in Fig. 1a und 1b dargestellte Leiterrahmen 2 umfaßt ein in zwei elektrische Anschlußteile 12a, b gegliedertes Träger­ teil sowie ein thermisches Anschlußteil 4. Die beiden elek­ trischen Anschlußteile 12a, b enden jeweils in einem Lötan­ schlußstreifen 3a, b.

Das eine elektrische Anschlußteil 12a weist eine Öffnung in Form einer Öse auf. In die Ösenöffnung ist das thermische An­ schlußteil 4 eingeknüpft. Dazu kann beispielsweise das ther­ mische Anschlußteil 4 paßgenau in die Ösenöffnung des elek­ trischen Anschlußteils 12a eingelegt und nachfolgend nach Art einer Niete mit dem elektrischen Anschlußteil 12a verquetscht werden. Alternative umfangsseitige Verbindungen zwischen dem thermischen 4 und dem elektrischen Anschlußteil 12a, bei­ spielsweise durch Vernieten, Verlöten oder Verschweißen, sind ebenfalls möglich.

Das thermische Anschlußteil 4 ist im wesentlichen rotations­ symmetisch und weist Vorsprünge 19 auf, die eine stabile Ver­ ankerung des Leiterrahmens 2 in einem Gehäuse ermöglichen. Weiterhin ist in dem thermischen Anschlußteil 4 eine zentri­ sche Einsenkung in Form einer Reflektorwanne 16 gebildet, auf deren Bodenfläche ein Chipmontagebereich 11 zur Aufnahme ei­ nes strahlungsemittierenden Chips vorgesehen ist. Die Seiten­ flächen der Einsenkung dienen als Reflektorflächen.

Der Ösenring des elektrischen Anschlußteils 12a weist eine Aussparung 13 auf, mit der ein zungenförmig gestalteter Bond­ drahtanschlußbereich 10 des zweiten elektrischen Anschluß­ teils 12b überlappt. Dieser Bonddrahtanschlußbereich 10 ist höhenversetzt zu dem abstrahlungsseitigen Rand der Reflektor­ wanne angeordnet. Dies ermöglicht bei der Chipmontage kurze Drahtverbindungen zwischen Chip und Bonddrahtanschlußbereich 10, ohne daß hierfür eine Aussparung am Rand der Reflektor­ wanne in dem thermischen Anschlußteil erforderlich ist.

In Fig. 2 ist perspektivisch ein Längsschnitt durch ein Aus­ führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gehäuses darge­ stellt. Das Gehäuse weist einen Grundkörper 1 aus Kunststoff- Formmasse auf, der beispielsweise mittels eines Spritzguß- oder Spritzpreßverfahrens hergestellt sein kann. Die Formmas­ se besteht beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial auf der Basis von Epoxidharz oder Acrylharz, kann aber auch aus jedem anderen für den vorliegenden Zweck geeigneten Material bestehen.

In den Grundkörper 1 ist ein im wesentlichen Fig. 1 entspre­ chender Leiterrahmen 2 mit zwei elektrischen Anschlußteilen 12a, b und einem darin eingeknüpften thermischen Anschlußteil 4 sowie Lötanschlußstreifen eingebettet, wobei letztere aus dem Gehäusegrundkörper herausragen. Auf der Seite des Chipan­ schlußbereichs 11 ist das thermische Anschlußteil 4 weitge­ hend plan ohne Reflektorwanne ausgebildet.

Das thermische Anschlußteil 4 ist dabei so innerhalb des Ge­ häusegrundkörpers 1 angeordnet, daß die Bodenfläche 6 des thermischen Anschlußteils 4 einen Teil der Grundkörperaufla­ gefläche 7 bildet. Zur mechanisch stabilen Verankerung in dem Gehäusegrundkörper ist das thermische Anschlußteil mit um­ fangsseitig angeordneten Vorsprüngen 19 versehen.

Der Auflagefläche 7 gegenüberliegend ist als Strahlungsaus­ trittsfenster eine Ausnehmung 8 in dem Gehäusegrundkörper ge­ formt, die zu dem Chipmontagebereich 11 auf dem thermischen Anschlußteil 4 führt, so daß ein darauf zu befestigender strahlungsemittierender Chip sich innerhalb des Strahlungs­ austrittsfensters 8 befindet. Die Seitenflächen 9 des Strah­ lungsaustrittsfensters 8 sind angeschrägt und dienen als Re­ flektor für die von einem solchen Chip im Betrieb erzeugte Strahlung.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf die Auflage­ fläche eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungs­ gemäßen Gehäuses. Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel ist die Bodenfläche 6 des thermischen Anschluß­ teils 4 aus dem Gehäusegrundkörper 1 herausgeführt. Dabei ragt die Bodenfläche 6 des thermischen Anschlußteils 4 etwas aus dem Grundkörpers 1 hervor, so daß im eingebauten Zustand eine sichere Auflage und eine guter Wärmeübergang zwischen dem thermischen Anschlußteil 4 und einem entsprechenden Träger wie beispielsweise einer Leiterplatte oder einem Kühlkör­ per gewährleistet ist.

Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Gehäusegrundkörper 1 eine seitliche, von dem ther­ mischen Anschlußteil 4 zu einer Seitenfläche des Gehäuse­ grundkörpers 1 verlaufende Nut 20 auf. Ist das Gehäuse auf einen Träger montiert, so erlaubt diese Nut 20 auch im einge­ bauten Zustand eine Kontrolle der Verbindung zwischen dem Ge­ häuse und dem Träger. Insbesondere kann damit eine Lötverbin­ dung zwischen dem Träger und dem thermischem Anschlußteil überprüft werden.

In Fig. 4 ist eine schematische, perspektivische Ansicht ei­ nes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlungs­ emittierenden Bauelements gezeigt.

Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Leiterrahmen 2 mit einem eingeknüpften thermische Anschluß­ teil 4 weitgehend in den Gehäusegrundkörper 1 eingebettet, so daß lediglich die Lötanschlußstreifen 3a, b seitlich aus dem Gehäusegrundkörper 1 herausragen. Das thermische Anschlußteil 4 bildet in nicht dargestellter Weise einen Teil der Auflage­ fläche 7 des Gehäusegrundkörpers bildet und ist so von außen thermisch anschließbar.

Auf dem Chipmontagebereich 11 des thermischen Anschlußteils 4 ist ein strahlungsemittierender Chip 5 wie zum Beispiel eine Lichtemissionsdiode befestigt. Vorzugsweise ist dies ein Halbleiterchip, beispielsweise ein LED-Chip oder ein Laser­ chip, der mittels eines Hartlots auf das thermische Anschluß­ teil 4 aufgelötet ist. Alternativ kann der Chip mit einem Haftmittel, das eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweist und vorzugsweise auch elektrisch leitfähig ist, auf dem Chip­ montagebereich 11 aufgeklebt sein.

Für effiziente Strahlungsquellen eignen sich insbesondere Halbleitermaterialien auf der Basis von GaAs, GaP und GaN wie beispielsweise GaAlAs, InGaAs, InGaAlAs, InGaAlP, GaN, GaAlN, InGaN und InGaAlN.

Das Gehäuse des Bauelements entspricht im wesentlichen dem in Fig. 2 beziehungsweise 3 dargestellten Gehäuse. Im Unter­ schied hierzu weist das thermische Anschlußteil 4 eine den Chip 5 umgebende Reflektorwanne 16 auf. Deren Reflektorflä­ chen gehen im wesentlichen nahtlos in die Seitenflächen 9 des Strahlungsaustrittsfensters 8 über, so daß ein Gesamtreflek­ tor entsteht, der sich aus einem von dem thermischen An­ schlußteil 4 gebildeten Teilbereich und einem von den Seiten­ flächen 9 des Strahlungsaustrittsfensters 8 gebildeten Teil­ bereich zusammensetzt.

Weiterhin ist das Strahlungsaustrittsfenster 8 in der Längs­ richtung des Bauelements etwas erweitert und umfaßt einen Bonddrahtanschlußbereich 10 auf dem nicht mit dem thermischen Anschlußteil verbundenen elektrischen Anschlußteil 12b des Leiterrahmens 2. Von diesem Bonddrahtanschlußbereich 10 ist eine Drahtverbindung 17 zu einer auf dem Chip 5 aufgebrachten Kontaktfläche geführt.

Der Bonddrahtanschlußbereich 10 ist höhenversetzt zum ab­ strahlungsseitigen Rand der Reflektorwanne 16 des thermischen Anschlußteils angeordnet. Dies ermöglicht eine kurze und da­ mit mechnisch stabile Drahtverbindung zwischen Chip 5 und Bonddrahtanschlußbereich 10, da letzterer nahe an den Chip 5 herangeführt werden kann. Weiterhin wird dadurch die Höhe des entstehenden Drahtbogens gering gehalten und so die Gefahr eines Kurzschlusses, der beispielsweise bei einer Abdeckung des Chips mit einem Verguß durch seitliches Umklappen der Drahtverbindung auf das thermische Anschlußteil entstehen könnte, reduziert.

In Fig. 5 ist der Querschnitt eines weiteren Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen Bauelements dargestellt. Der Schnittverlauf entspricht der in Fig. 4 eingezeichneten Li­ nie A-A.

Wie bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das thermische Anschlußteil auf der Montageseite für den Chip 5 mittig eingesenkt, so dass eine Reflektorwanne 16 für die von dem Chip 5 erzeugte Strahlung entsteht, an die sich die Re­ flektorseitenwände 9 des Strahlungsaustrittsfensters 8 an­ schließen.

Im Unterschied zu dem vorigen Ausführungsbeispiel weist der so gebildete Gesamtreflektor 15 an der Übergangsstelle zwi­ schen den Teilreflektoren 9,16 einen Knick auf. Durch diese Formgebung wird eine verbesserte Annäherung des Gesamtreflek­ tors 15 an ein Rotationsparaboloid und somit eine vorteil­ hafte Abstrahlcharakteristik erreicht. Das vom Chip in einem steileren Winkel zur Bodenfläche der Wanne abgestrahlte Licht wird stärker zur Hauptabstrahlrichtung 27 des Bauelements hin umgelenkt.

Zum Schutz des Chips ist das Strahlungsaustrittsfenster 8 mit einem Verguß 14, beispielsweise ein Reaktionsharz wie Epoxid­ harz oder Acrylharz, gefüllt. Zur Bündelung der erzeugten Strahlung kann der Verguß 14 nach Art einer Linse mit einer leicht gewölbten Oberfläche 18 geformt sein.

Um eine mechanisch stabile Verbindung von Verguß 14, Gehäuse­ grundkörper 1 und Leiterrahmen 2 zu erzielen, ist es vorteil­ haft, die Höhe A der Reflektorwanne 16 des thermischen An­ schlußteils geringer als die doppelte Höhe H des Chips 5 zu wählen. Die Höhe B des gesamten von dem thermischen Anschluß­ teil 4 und dem Gehäusegrundkörper 1 gebildeten Reflektors 15 sollte kleiner als die vierfache Höhe H des Chips 5 sein. Schließlich ist es vorteilhaft, das Strahlungsaustrittsfenster 8 so zu formen, daß für das Volumen V des Vergussen die obengenannte Relation

V ≦ q.H

erfüllt ist, wobei q etwa 7 mm2 beträgt. Durch Erfüllung die­ ser Maßgaben wird die mechanische Stabilität und damit die Belastbarkeit und Lebensdauer des Bauelements vorteilhaft er­ höht. Die Verankerung des thermischen Anschlußteils 4 mittels der Vorsprünge 19 in dem Gehäusegrundkörper 1 trägt ebenfalls hierzu bei.

Zur Herstellung eines solchen Bauelements wird zunächst für den Leiterrahmen 2 ein Trägerteil, das beispielsweise aus ei­ nem Trägerband ausgestanzt wird, mit einer Öffnung bereitge­ stellt. Nachfolgend wird das thermische Anschlußteil 4 in die Öffnung des Trägerteils eingesetzt und mit dem Trägerteil verquetscht.

Im nächsten Schritt wird auf dem thermischen Anschlußteil 4 der strahlungsemittierende Chip 5 aufgebracht, beispielsweise aufgelötet oder aufgeklebt. Zur Ausbildung des Gehäusegrund­ körpers 1 wird der aus dem Trägerteil und dem thermischen An­ schlußteil 4 gebildete Leiterrahmen 2 mit dem vormontierten Chip 5 von einer Formmasse umhüllt, wobei der den Chip 5 um­ gebende Bereich sowie der Bonddrahtanschlußbereich 10 ausge­ spart wird. Dies kann beispielsweise in einem Spritzguß- oder Spritzpreßverfahren erfolgen. Von dem Bonddrahtanschlußbe­ reich 10 wird abschließend eine Drahtverbindung 17 zu einer Kontaktfläche des Chips 5 geführt.

Alternativ kann nach der Verbindung von Trägerteil und ther­ mischem Anschlußteil 4 der so gebildete Leiterrahmen 2 zuerst von der Formmasse umhüllt und der Chip 5 danach auf dem Chip­ anschlußbereich 11 befestigt, vorzugsweise aufgeklebt, und kontaktiert werden.

Die Erläuterung der Erfindung anhand der beschriebenen Aus­ führungsbeispiele stellt selbstverständlich keine Einschrän­ kung der Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel dar. Wei­ tergehend können erfindungsgemäße Leiterrahmen und Gehäuse auch für andere Bauelemente, die eine effiziente Wärmeablei­ tung erfordern, bzw. als Chip auch anderweitige Halbleiter­ körper verwendet werden.

Das oben beschriebene Verfahren, umfassend die Schritte Be­ reitstellen eines Leiterrahmens und Aufbringen des Chip, vor­ zugsweise durch Auflöten, vor einer Umhüllung des Leiterrah­ mens mit einer Formmasse, wobei die Umgebung des Chips ausge­ spart bleibt, ist auch auf andere Gehäusebauformen ohne ther­ misches Anschlußteil übertragbar und stellt für sich schon eine Erfindung dar.

Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß die Befestigung des Chips weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der Formmasse optimiert werden kann. Ein Löt­ prozeß kann beispielsweise in einem erweiterten Temperaturbe­ reich stattfinden. Dabei können Lote, vorzugsweise mit einer Schmelztemperatur über 260°C wie beispielsweise Hartlote, verwendet werden, die eine Verbindung mit sehr geringem Wär­ mewiderstand zwischen Chip und Leiterrahmen ausbilden. Wei­ terhin wird damit die Gefahr verringert, daß sich beim Auflö­ ten eines entsprechenden Bauelements auf eine Leiterplatte der Chip ablösen könnte.

Claims (38)

1. Leiterrahmen (2) für ein strahlungsemittierendes Bauele­ ment, vorzugsweise ein Lichtemissionsdiodenbauelement, mit mindestens einem Chipmontagebereich (11), mindestens einem Drahtanschlußbereich (10) und mindestens einem externen elek­ trischen Anschlußstreifen (3a, b), dadurch. gekennzeichnet, daß ein Trägerteil vorgesehen ist, das den Drahtanschlußbereich (10) und den Anschlußstreifen (3a, b) aufweist und in das ein separat gefertigtes thermisches Anschlußteil (4) eingeknüpft ist, das den Chipmontagebereich (11) aufweist.
2. Leiterrahmen (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil eine Klammer oder Öse aufweist, in die das thermische Anschlußteil (4) eingeknüpft ist.
3. Leiterrahmen (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem thermischen Anschlußteil (4) und dem Trägerteil eine Quetsch-, Niet- oder Lötverbindung vorgesehen ist.
4. Leiterrahmen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Anschlußteil (4) eine Reflektorwanne (16) auf­ weist, die den Chipmontagebereich (11) umfaßt.
5. Leiterrahmen (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtanschlußbereich (10) gegenüber dem Chipmontagebe­ reich (11) von diesem aus gesehen erhöht angeordnet ist.
6. Leiterrahmen (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtanschlußbereich (10) vom Chipmontagebereich (11) ge­ sehen über dem Rand der Reflektorwanne (16) angeordnet ist.
7. Leiterrahmen (2) nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (A) der Reflektorwanne (16) die zweifache Höhe (H) eines zur Montage auf den Chipmontagebereich (11) vorgesehe­ nen Chips (5) nicht übersteigt.
8. Leiterrahmen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Anschlußteil (4) Cu, Al, Mo, Fe, Ni oder Wo enthält.
9. Leiterrahmen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch. gekennzeichnet, daß der Chipmontagebereich (11) mit einer Oberflächenvergütung zur Verbesserung der Chipmontage versehen ist.
10. Leiterrahmen (2) nach Anspruch 9, dadurch. gekennzeichnet, daß die Oberflächenvergütung für die Chipmontage eine Ag- oder Au-Beschichtung umfaßt.
11. Leiterrahmen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch. gekennzeichnet, daß der Leiterrahmen (2) Cu oder Fe enthält.
12. Leiterrahmen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der externe elektrische Anschlußstreifen (3a, b) eine Oberflä­ chenvergütung zur Verbesserung der Bauelement-Montageeigen­ schaften aufweist.
13. Leiterrahmen (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenvergütung zur Verbesserung der Bauelement-Mon­ tageeigenschaften eine Ag-, Au-, Sn- oder Zn-Beschichtung um­ faßt.
14. Gehäuse für strahlungsemittierende Bauelemente, vorzugs­ weise Lichtemissionsdioden, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Leiterrahmen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 enthält.
15. Gehäuse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) einen Gehäusegrundkörper (1) aufweist, der aus einer Formmasse gebildet ist und in den der Leiterrahmen (2) derart eingebettet ist, daß der elektrische Anschluß­ streifen (3a, b) aus dem Gehäusegrundkörper herausgeführt ist und eine thermische Anschlußfläche des thermischen Anschluß­ teiles (4) von außen thermisch anschließbar ist.
16. Gehäuse nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusegrundkörper (1) ein Strahlungsaustrittsfenster (8) aufweist und das thermische Anschlußteil (4) derart in den Gehäusegrundkörper eingebettet ist, daß der Chipmontagebe­ reich (11) im Strahlungsaustrittsfenster (8) angeordnet ist.
17. Gehäuse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (9) des Strahlungsaustrittsfensters (8) als Reflektorflächen geformt sind.
18. Gehäuse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Anschlußteil (4) eine Reflektorwanne (16) auf­ weist, die einen ersten Teilbereich eines Reflektors (15) bildet, der in einen zweiten, von den Seitenwänden (9) des Strahlungsaustrittsfensters (8) gebildeten Teilbereich des Reflektors (15) übergeht.
19. Gehäuse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamthöhe (B) des Reflektors (15) die vierfache Höhe (H) eines zur Montage auf den Chipmontagebereich (11)vorgesehenen Chips (5) nicht übersteigt.
20. Gehäuse nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß Reflektorwände der Reflektorwanne (16) und die Reflektorflä­ chen des Strahlungsaustrittsfensters (8) unterschiedliche Winkel mit der Hauptabstrahlungsrichtung (27) des Bauelements einschließen.
21. Gehäuse nach Anspruch 20, dadurch. gekennzeichnet, daß der von den Reflektorwänden der Reflektorwanne (16) mit der Hauptabstrahlungsrichtung (27) eingeschlossene Winkel größer ist als der Winkel, der von den Reflektorflächen des Strah­ lungsaustrittsfensters mit der Hauptabstrahlungsrichtung (27) eingeschlossen ist.
22. Gehäuse nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß es oberflächenmontierbar ist.
23. Strahlungsemittierendes Bauelement mit einem strahlungs­ emittierenden Chip (5), dadurch gekennzeichnet, daß es einen Leiterrahmen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder ein Gehäuse nach einem der Ansprüche 14 bis 22 aufweist.
24. Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (5) ein Halbleiterchip ist.
25. Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (5) zumindest teilweise mit einer strahlungsdurch­ lässigen Masse (14), insbesondere einer Kunststoffmasse, wie ein Gießharz oder eine Pressmasse umhüllt ist.
26. Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmasse ein Epoxidharz, ein Acrylharz, ein Sili­ conharz oder eine Mischung dieser Harze enthält.
27. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An­ spruch 25 oder 26, dadurch. gekennzeichnet, daß für das Volumen (V) der strahlungsdurchlässigen Masse (14) gilt:
V ≦ q.H,
wobei H die Höhe des Chips (5) und q ein Skalierungsfaktor ist, dessen Wert kleiner als 10 mm2 ist und vorzugsweise 7 mm2 beträgt.
28. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (5) auf dem Chipmontagebereich (11) des thermischen Anschlußteils (4) befestigt ist.
29. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An­ spruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (5) auf den Chipmontagebereich (11) aufgeklebt oder aufgelötet ist.
30. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An­ spruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (5) mittels eines Hartlots auf dem Chipmontagebe­ reich (11) befestigt ist.
31. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An­ spruch 30, dadurch. gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur des Hartlots größer als 260°C ist.
32. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (5) mit dem Drahtanschlußbereich (10) mittels einer Drahtverbindung (17) elektrisch leitend verbunden ist.
33. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 23 bis 32, gekennzeichnet durch die Schritte
  • - Bereitstellen eines Trägerteils,
  • - Einknüpfen eines einen Chipmontagebereich (11) aufwei­ senden thermischen Anschlußteils (4) in das Trägerteil,
  • - Aufbringen eines strahlungsemittierenden Chips (5) auf den Chipmontagebereich (11),
  • - Einbetten des Trägerteiles (2) und des thermische An­ schlußteils (4) in eine Gehäuseformmasse.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Anschlußteil (4) durch Vernieten, Verquetschen oder Verlöten mit dem Trägerteil verbunden wird.
35. Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (5) vor dem Einbetten des Trägerteils und des ther­ mische Anschlußteils (4) in die Gehäuseformmasse auf den Chipmontagebereich (11) aufgebracht wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (5) auf den Chipmontagebereich (11) aufgelötet wird, wobei die Löttemperatur größer als 260°C ist.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (5) mittels eines Hartlots auf dem Chipmontagebe­ reich (11) befestigt wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbetten des Trägerteils (2) und des thermische An­ schlußteils (4) in eine Gehäuseformmasse mittels eines Spritzguß- oder Spritzpreßverfahrens erfolgt.
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