DE102005045587A1

DE102005045587A1 - Baugruppe mit einem Licht emittierenden Halbleiterelement

Info

Publication number: DE102005045587A1
Application number: DE102005045587A
Authority: DE
Inventors: Min-Hsun Hsieh; Chien-Wuan Wang; Chou-Chih Yin; Jen-Shui Wang; Chia-Fen Tsai; Chia-Liang Hsu
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2025-09-24
Also published as: JP2006093711A; US20060076571A1; US7745832B2; KR20060051573A; KR101204806B1; DE102005045587B4

Abstract

Eine erfindungsgemäße Baugruppe (1) mit mindestens einem Licht emittierenden Halbleiterelement (14) verfügt über ein Verbundsubstrat (10), einen Schaltungslayoutträger (11), eine Verbindungsstruktur (12), eine Aussparung (13) und ein Lichtemissionselement (14). Die Verbindungsstruktur wird dazu verwendet, das Verbundsubstrat mit dem Schaltungslayoutträger zu verbinden. Die Aussparung ist im Schaltungslayoutträger ausgebildet, wobei sie sich zum Verbundsubstrat hin erstreckt. Das Lichtemissionselement ist in der Aussparung angeordnet und es ist elektrisch mit dem Schaltungslayoutträger verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe mit mindestens einem Licht emittierenden Halbleiterelement, die nachfolgend der Kürze halber einfach als Baugruppe bezeichnet wird. Das Licht emittierende Halbleiterelement wird der Kürze halber als Lichtemissionselement bezeichnet.

US-A-6,501,103 offenbart eine Lichtdioden(LED)-Baugruppe mit einer LED 1, einer Leiterplatte 2 und einem Wärmeabstrahlungssubstrat 3, wobei die LED über einen auf eine Wärmeabstrahlungsplatte 10 gebondeten Chip 12 sowie Kontaktflecke verfügt, die elektrisch mit einer gedruckten Leiterplatte 13 verbunden sind. Die LED 1 ist an der Leiterplatte 2 und dem Wärmeabstrahlungssubstrat 3 befestigt.

Bei dieser Technologie wird im Allgemeinen ein mechanisches oder ein Lötverfahren dazu verwendet, die gedruckte Leiterplatte 13 mit der Wärmeabstrahlungsplatte 10 zu verbinden. Beim mechanischen Verfahren, wie Verschrauben und Verstemmen ist viel Raum erforderlich, um zugehörige mechanische Mittel zu installieren, so dass eine derartige Vorgehensweise zum Miniaturisieren elektronischer Elemente nachteilig ist. Beim Lötverfahren ist es erforderlich, ein Lot mit relativ hoher Temperatur aufzuschmelzen, um Materialien zweier verschiedener Typen zu verbinden, und die Lottemperatur liegt im Allgemeinen über 450°C. Im Allgemeinen ist das die Wärmeabstrahlungsplatte 10 bildende Material ein Metall wie Kupfer usw., wobei der Wärmeexpansionskoeffizient von Kupfer ungefähr 12 × 10^–6/°C beträgt. Jedoch ist der Wärmeexpansionskoeffizient des die LED 12 bildenden Materials im Allgemeinen kleiner als 12 × 10^–6/°C, wobei er spezieller im Bereich zwischen 4 × 10^–6/°C und 8 × 10^–6/°C liegt. Es ist wahrscheinlich, dass der Unterschied zwischen den Wärmeexpansionskoeffizienten zu einer Verformung und Ermüdung hinsichtlich der LED 12 und der Wärmeabstrahlungsplatte 10 bei hohen Temperaturen führt, wodurch die Zuverlässigkeit von Erzeugnissen verringert ist, die eine solche LED 12 und Wärmeabstrahlungsplatte 10 enthalten. Um die Differenz zwischen den Wärmeexpansionskoeffizienten der zwei Materialien zu verringern, wird bei der herkömmlichen Technik ein Keramikmaterial mit kleinem Wärmeexpansionskoeffizient, wie Aluminiumnitrid (AlN), verwendet, um die Wärmeabstrahlungsplatte 10 herzustellen. Jedoch ist ein Keramikmaterial wie AlN zu teuer, um Erzeugnisse herzustellen, die am Markt akzeptiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe mit mindestens einem Licht emittierenden Halbleiterelement zu schaffen, bei der eine gute Abfuhr von Wärme vom Lichtemissionselement erzielt wird und Materialien mit einem kleinen Unterschied ihrer Wärmeexpansionskoeffizienten verwendet sind.

Diese Aufgabe ist durch die Baugruppe gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Baugruppe verfügt über eine Flipchipstruktur, und ein elektrischer Kontakt, der in mindestens einem Bereich der Oberfläche einer Aussparung vorhanden ist, ist elektrisch mit dem Lichtemissionselement und einem Schaltungslayoutträger verbunden.

Vorzugsweise ist eine Verbindungsstruktur vorhanden, die über eine Reaktionsschicht verfügt, die auf einer Seite einer flexiblen Kleberschicht ausgebildet ist, um die Verbindungsfestigkeit zwischen einem Verbundsubstrat und dem Schaltungslayoutträger zu verbessern. Vorzugsweise verfügt die Aussparung über eine Reflexionsschicht zum Fördern der Lichtentnahmeeffizienz. Ferner ist über der Aussparung vorzugsweise ein lichtdurchlässiges Element, wie eine optische Linse, angeordnet.

Die vorstehenden Gesichtspunkte und einige zugehörige Vorteil der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung leichter verständlich werden.

1A und 1B sind schematische Diagramme zum Veranschaulichen der Struktur einer Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der Struktur einer Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3A bis 3H sind schematische Diagramme zum Veranschaulichen der Struktur einer Baugruppe gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4A und 4B sind schematische Diagramme zum Veranschaulichen der Struktur einer Baugruppe gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
5 ist ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der Struktur einer Baugruppe gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren sind u.a. die folgenden Bezugszeichen verwendet:

1: Baugruppe, genauer gesagt, Baugruppe mit einem Licht emittierenden Halbleiterbauteil
10: Verbundsubstrat
11: Schaltungslayoutträger
12: Verbindungsstruktur
13: Aussparung
14: Lichtemissionselement, genauer gesagt, Licht emittierendes Halbleiterelement.

Erste Ausführungsform
Bei der in den 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsform ist ein einem Schaltungslayoutträger 11 eine Aussparung 13 ausgebildet, und der Schaltungslayoutträger 11 ist durch eine Verbindungsstruktur 12 mit einem Verbundsubstrat 10 verbunden. In der Aussparung 13 ist ein Lichtemissionselement 14 angeordnet, das mittels leitender Drähte 17 mit elektrischen Kontakten 20 verbunden ist, die auf dem Schaltungslayoutträger 11 ausgebildet sind. Die Materialien des Lichtemissionselements 14 und des Verbundsubstrats 10 sind so gewählt, dass der Unterschied zwischen ihren Wärmeexpansionskoeffizienten 10 × 10^–6/°C oder weniger beträgt, damit thermische Spannungen zwischen diesen Bauelementen verringert werden. Das Verbundsubstrat 10 dient nicht nur als Träger für die Baugruppe 1 sondern auch als Wärmeabführmedium für das Lichtemissionselement 14.
Das Lichtemissionselement 14 ist beispielsweise eine LED oder eine LD, und es liegt im Wesentlichen als Chip, vorzugsweise als Chip ohne Gehäuse vor, so dass die vom Chip erzeugte Wärme über einen kurzen Weg an das Verbundsubstrat 10 übertragen werden kann. Der Wärmeexpansionskoeffizient des Chips des Lichtemissionselements 14 liegt im Allgemeinen zwischen 1 × 10^–6/°C und 10 × 10^–6/°C. z.B. beträgt der Wärmeexpansionskoeffizient von GaN 5,4 × 10^–6/°C, derjenige von InP 4,6 × 10^–6/°C sowie derjenige von GaP 5,3 × 10^–6/°C. Um eine Anpassung an den Wärmeexpansionskoeffizienten des Lichtemissionselements 14 zu erzielen, um übermäßige thermische Spannungen zwischen diesem und dem mit ihm in Kontakt stehenden Material zu verhindern, ist als Träger für die Baugruppe 1 das Verbundsubstrat 10 verwendet. Dieses wird nicht nur zum Halten des Schaltungslayoutträgers 11 und des Lichtemissionselements 14 sondern auch als Wärmeabführmedium verwendet. Das das Verbundsubstrat 10 bildende Material wird geeignet dafür gewählt, den Unterschied zwischen den Wärmeexpansionskoeffizienten des Lichtemissionselements 14 und des Verbundsubstrats 10 so einzustellen, dass er 10 × 10^–6/°C oder weniger beträgt, wodurch, wie genannt, thermische Spannungen verringert werden.
Das Verbundmaterial für das Verbundsubstrat besteht aus mindestens zwei Materialien, die keine anderen Molekül- oder Atomstrukturen bilden. Allgemein gesagt, kann das Verbundmaterial die Vorteile der jeweilig gewählten Materialien so kombinieren, dass insgesamt bessere physikalische Eigenschaften erzielt werden als sie denjenigen der Ausgangsmaterialien entsprechen. Das verwendete Verbundmaterial soll leicht und stabil sein und hervorragende Wärmeeigenschaften zeigen; es wird z.B. ein Metallmatrix-Verbundstoff (MMC), ein Polymermatrix-Verbundstoff (PMC) oder ein Keramikmatrix- Verbundstoff (CMC) verwendet. Diese Verbundstoffe werden jeweils dadurch hergestellt, dass Kohle- oder Keramikfasern mit Metallen, Polymeren bzw. Keramiken gemischt werden. Um die vom Lichtemissionselement 14 erzeugte Wärme abzuführen, ist es bevorzugt, einen Metallmatrix-Verbundstoff mit einem hohen Wärmeleitungskoeffizienten nicht unter 150W/mK und einem Wärmeexpansionskoeffizienten nicht über 10 × 10^–6/°C für das Verbundsubstrat 10 zu verwenden, wie einen Aluminiummatrix-Verbundstoff, dessen Wärmeleitungskoeffizient ungefähr 100 – 640W/mK beträgt, wobei der Wärmeexpansionskoeffizient des Verbundsubstrats ungefähr 5-10 × 10^–6/°C beträgt.
Jedoch können ein Polymermatrix- oder ein Keramikmatrix-Verbundstoff verwendet werden, um den jeweils aktuellen Erfordernissen zu genügen.
Der Schaltungslayoutträger 11 ist z.B. eine gedruckte Leiterplatte, eine flexible gedruckte Schaltung, ein Si-Substrat oder ein Keramiksubstrat usw. Bei einem Halbleitersubstrat können verschiedene Halbleiterprozesse, wie Ätzen, Sputtern usw., dazu verwendet werden, gewünschte Schaltungskreise auszubilden, und es kann auch eine Integration mit dem Prozess zum Herstellen des Lichtemissionselements erfolgen. Der Wärmeleitungskoeffizient und der Wärmeexpansionskoeffizient eines Si-Substrats betragen ungefähr 150W/mK bzw. 4 × 10^–6/°C, wobei diese Werte nahe an denen des Verbundsubstrats liegen, insbesondere dann, wenn dieses ein Metallmatrix-Verbundstoffsubstrat ist. Da die thermischen Eigenschaften des Si-Substrats und des Verbundsubstrats 10 nahe beieinanderliegen, können thermische Spannungen zwischen diesen beiden effektiv verringert werden, und es kann die Wärmeleitungseffizienz verbessert werden. Jedoch können auch eine gedruckte oder eine flexible Leiterplatte dazu verwendet werden, den aktuellen Erfordernissen zu genügen.
Die Schaltungslayoutträger 11 wird über die Verbindungsstruktur 12 mit dem Verbundsubstrat 10 verbunden. Die Verbindungsstruktur 12 besteht aus einem Klebermaterial, vorzugsweise einer flexiblen Kleberschicht, bevorzugter einer Kleberschicht, deren Klebefähigkeit bei Raumtemperatur oder einer mittleren niedrigen Temperatur erhalten bleibt. Das diese flexible Kleberschicht bildende Material ist z.B. Benzocyclobuten (BCB), Epoxid, Polyimid, SOG (Spin On Glass), Silicon, Lot, Äquivalente hierzu sowie Kombinationen hiervon. Derartige Materialien können bei relativ niedriger Temperatur (üblicherweise unter 300°C) gehärtet werden, wodurch thermische Belastungen bei hoher Temperatur zwischen dem Verbundsubstrat 10 und dem Lichtemissionselement 14 und/oder zwischen dem Verbundsubstrat 10 und dem Schaltungslayoutträger 11 vermieden werden und weniger Schäden am Lichtemissionselement 14 aufgrund hoher Temperatur auftreten.
Außer der genannten flexiblen Kleberschicht kann auf dem Verbundsubstrat 10 oder auf diesem und dem Lichtemissionselement 14 eine Metallschicht hergestellt werden. Zwischen dieser und dem Lichtemissionselement 14 oder zwischen zwei Metallschichten, wie sie auf dem Verbundsubstrat 10 und dem Lichtemissionselement 14 hergestellt sind, wird eine Metalllotschicht hergestellt, wobei zwischen dieser und der mindestens einen Metallschicht eine eutektische Reaktion auftritt, um das Lichtemissionselement 14 mit dem Verbundsubstrat 10 zu verbinden.
Ferner wird, um die vom Chip erzeugte Wärme auf einem kurzen Weg an das Verbundsubstrat 10 zu übertragen, die Aussparung 13, z.B. in Form eines Durchgangslochs, eines Blindlochs usw., im Schaltungslayoutträger 11 ausgebildet, um das Lichtemissionselement 14 aufzunehmen. Die Aussparung 13 wird vorzugsweise am Schaltungslayoutträger 11 ausgebildet, und sie erstreckt sich in der Richtung zum Verbundsubstrat 10. Für eine einfache Verarbeitung wird die Aussparung 13 vorzugsweise hergestellt, bevor die Schaltungslayoutträger 11 mit dem Verbundsubstrat 10 verbunden wird. Wenn der Schaltungslayoutträger 11 eine gedruckte Leiterplatte ist, kann zum Herstellen der Aussparung 13 ein mechanisches Bearbeitungsverfahren verwendet werden, wie Bohren, Stanzen usw.; wenn der Schaltungslayoutträger 11 ein Halbleitersubstrat ist, können zum Ausbilden der Aussparung 13 in diesem herkömmliche Halbleiterprozesse verwendet werden, wie chemisches Ätzen, Plasmaätzen usw.
Das Verbundsubstrat 10 ist elektrisch leitend. Wenn sich die positive und die negative Elektroden des Lichtemissionselements 14 auf derselben Seite befinden und seine Epitaxiestruktur einen elektrischen Leiter bildet, kann, wie es in der 1A dargestellt ist, durch eine Isolation des Lichtemissionselements 14 gegen das Verbundsubstrat 10 ein Leckstrom verhindert werden und/oder die ESD-Funktion kann verbessert werden. Andernfalls, wenn die Verbindungsstruktur 12 ein Isolator ist, kann sich die Aussparung 13 bis zu dieser hin erstrecken, wobei verhindert wird, dass das Lichtemissionselement 14 in direkten Kontakt mit dem Verbundsubstrat 10 gelangt. Alternativ wird, wie es in der 1B dargestellt ist, das Lichtemissionselement 14 durch ein Isoliermaterial 21 vom Verbundsubstrat 10 getrennt. Daher erstreckt sich die Aussparung 13 bis zum Verbundsubstrat 10, um den Wärmeleitungspfad zwischen dem Lichtemissionselement 14 und dem Verbundsubstrat 10 zu verkürzen. Jedoch kann, abhängig von den Prozesserfordernissen, das Isoliermaterial 21 auch dazu verwendet werden, das Lichtemissionselement 14 vom Verbundsubstrat 10 zu trennen, wie es in der 1A dargestellt ist. Demgegenüber ist die Epitaxiestruktur des Lichtemissionselements 14 ein elektri scher Isolator, oder sie ist gegen die aktive Schicht isoliert, und das Lichtemissionselement 14 kann in direktem Kontakt mit dem Verbundsubstrat 10 stehen, oder es kann durch ein anderes Material, wie einen Silberkleber, einen isolierenden Kleber, ein Lot usw. am Verbundsubstrat 10 befestigt werden.
Zweite Ausführungsform
In der 2 zur zweiten Ausführungsform kennzeichnet die Bezugszahl 1201 eine flexible Kleberschicht, 1202 und 1203 kennzeichnen Reaktionsschichten, 15 kennzeichnet eine Reflexionsschicht und 16 kennzeichnet eine Einebnungsschicht.
Wie es für die erste Ausführungsform beschrieben wurde, ist das Lichtemissionselement 14 über die Verbindungsstruktur 12 mit dem Schaltungslayoutträger 11 verbunden. Gemäß der 2 besteht die Verbindungsstruktur 12 aus einer flexiblen Kleberschicht 1201 sowie einer Reaktionsschicht 1202 und/oder einer Reaktionsschicht 1203 zum Verbessern der Anhaftung der Verbindungsstruktur 12. Die flexible Kleberschicht 1202 kann aus dem bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Material hergestellt werden. Die Reaktionsschicht 1202 wird zwischen der flexiblen Kleberschicht 1201 und dem Schaltungslayoutträger 11 hergestellt, und/oder die Reaktionsschicht 1203 wird zwischen der flexiblen Kleberschicht 1202 und dem Verbundsubstrat 10 hergestellt, um die Haftung zwischen diesen Elementen zu verbessern. Das die Reaktionsschichten 1202 und 1203 bildende Material ist z.B. Siliciumnitrid (SiN_x), Epoxid, Titan (Ti), Chrom (Cr), oder es handelt sich um Kombinationen hiervon. Die Reaktionsschicht 1202 und/oder die Reaktionsschicht 1203 können durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder chemische Dampfabscheidung (CVD) vorab auf dem Schaltungslayoutträger 11 und/oder dem Verbundsubstrat 10 hergestellt werden. Dann wird die flexible Kleberschicht 1201 auf einer Seite des Schaltungslayoutträgers 11 und/oder einer Seite des Verbundsubstrats 10 hergestellt. Danach wird die Schaltungslayoutträger 11 dadurch mit dem Verbundsubstrat 10 verbunden, dass ein geeigneter Druck und/oder eine geeignete Temperatur angewandt werden, um den Schaltungslayoutträger 11 am Verbundsubstrat 10 zu befestigen.
Darüber hinaus wird, wenn die Oberfläche des Verbundsubstrats 10 eine raue Oberfläche ist, die Einebnungsschicht 16 auf dieser Oberfläche hergestellt, um sie zu glätten, damit die Verbindungsstruktur 12 gut am Verbundsubstrat 10 anhaftet. Das die Einebnungsschicht 16 bildende Material ist z.B. Nickel (Ni) oder irgendein anderes Material, das an der Verbindungsstruktur 12 anhaftet. Ferner kann sich, wenn die positive und die negative Elektrode des Lichtemissionselements 14 auf derselben Seite liegen und die Epitaxiestruktur desselben einen elektrischen Leiter bildet, die Aussparung 13 bis zur Einebnungsschicht 16, zur Verbindungsstruktur 12 oder zum Verbundsubstrat 10 erstrecken, so dass das Lichtemissionselement 14 direkt auf der Einebnungsschicht 16, der Verbindungsstruktur 12 oder dem Verbundsubstrat 10 platziert ist.
Um den Lichtemissions-Wirkungsgrad des Lichtemissionselements 14 zu erhöhen, wird ferner in der Aussparung 13 eine Reflexionsschicht 15 hergestellt, die das durch das Lichtemissionselement 14 emittierte Licht reflektiert und überwiegend in derselben Richtung führt. Die Reflexionsschicht 15 wird aus einem Licht reflektierenden Material wie Gold, Silber, Aluminium, Zinn usw. hergestellt. Sie wird unter Verwendung eines von verschiedenen Filmabscheidungsverfahren auf der gesamten Innenfläche der Aussparung 13 oder einem Teil derselben hergestellt. Wenn die Reflexionsschicht 15 elektrisch leitend ist, wird sie, um die Isolation wischen dem Lichtemissionselement 14 und ihr aufrechtzuerhalten, vorzugsweise nicht im Gebiet über dem Lichtemissionselement 14, das das Verbundsubstrat 10 überdeckt, hergestellt. Außerdem verfügt, um es zu ermöglichen, dass die Reflexionsschicht 15 bessere Reflexionseigenschaften zeigt, die Aussparung 13 über eine sich verjüngende Form, d.h. die Innenwand derselben verfügt über eine Steigung, durch die ein trichterförmiger Raum gebildet ist.
Dritte Ausführungsform
In den die dritte Ausführungsform veranschaulichenden 3A bis 3H kennzeichnet die Bezugszahl 18 ein lichtdurchlässiges Element, 18a kennzeichnet ein Füllmaterial und 19 kennzeichnet ein Wellenlängenwandlungsmaterial. Wie es bei den obigen beiden Ausführungsformen offenbart wurde, befinden sich die positive und die negative Elektrode des Lichtemissionselements 14 auf derselben Seite, und leitende Drähte 17 werden dazu verwendet, diese mit den elektrischen Kontakten 20 zu verbinden. Jedoch kann es sich beim Lichtemissionselement 14 auch um eine Flipchipstruktur handeln, d.h., die positive und die negative Elektrode verbinden sich auf derselben Seite, die dem Verbundsubstrat 10 zugewandt ist. Bei einem derartigen Flipchipformat werden die leitenden Drähte 17 nicht benötigt. Dagegen muss sich der elektrische Kontakt 20a bis zur Innenseite der Aussparung 13 erstrecken, um eine Verbindung mit der positiven und der negativen Elektrode des Lichtemissionselements 14 zu erzielen, wie es in den 3A bis 3D dargestellt ist.
Um das Lichtemissionselement 14 und die anderen in der Aussparung 13 installierten Komponenten zu schützen, bedeckt ein lichtdurchlässiges Element 18 das Gebiet über dem Lichtemissionselement 14. Dieses lichtdurchlässige Element 18 schützt nicht nur das Lichtemissionselement 14, die leitenden Drähte 17 und die Reflexionsschicht 15, sondern es kann durch geeignete Konstruktion auch den Lichtemissions-Wirkungsgrad des Lichtemissionselements 14 verbessern oder für ein Lichtmuster sorgen, das vom ursprünglichen, vom Lichtemissionselement 14 erzeugten verschieden ist. Das lichtdurchlässige Element 18 ist vorzugsweise eine optische Linse, wie eine konvexe Linse, eine konkave Linse, eine Streulinse usw.
Das das lichtdurchlässige Element 18 bildende Material ist z.B. Epoxid, Acrylharz, Cycloolefin-Copolymer (COC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyetherimid, Fluorkohlenstoff-Polymer, Silicon, Kombinationen hiervon oder ein anderes Material, das es ermöglicht, die Transmission von Licht zu blockieren.
Außerdem ist zwischen das lichtdurchlässige Element 18 und das Lichtemissionselement 14 ein Füllmaterial 18a gefüllt, um die durch das lichtdurchlässige Element 18 am Lichtemissionselement 14 hervorgerufene Spannungskonzentration abzubauen. Das Füllmaterial 18a ist z.B. Silicon usw.
Das durch das Lichtemissionselement 14 erzeugte Licht wird durch das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 in Licht mit einer Wellenlänge gewandelt, die von der ursprünglichen verschieden ist. Das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 ist z.B. ein Leuchtstoffpulver, ein Farbfilter, Äquivalente hierzu oder Kombinationen hiervon.
Wenn das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 aufgebracht wird, erfolgt dies so, dass es das Gebiet über dem Lichtemissionselement 14 bedeckt, und dann wird das lichtdurchlässige Element 18 als Kappe aufgebracht, um das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 einzugrenzen und zu schützen, wie es in der 3B dargestellt ist.
Alternativ werden das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 und das lichtdurchlässige Material 18 mit einem Klebermaterial, wie Epoxid, gemischt, und dann werden sie als Kappe auf das Gebiet über dem Lichtemissionselement 14 aufgebracht, wie es in der 3C dargestellt ist. Vorzugsweise wird das Wellenlängenwandlungsmaterial 19, ohne Vermischung mit dem lichtdurchlässigen Element 18 oder einem Klebermaterial, durch Sedimentation im Gebiet über dem Lichtemissionselement 14 ausgebreitet. Wenn das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 durch Sedimentation eine Aggregation bildet, kann das lichtdurchlässige Element 18 über demselben installiert werden, um es zu schützen, wie es in der 3B dargestellt ist.
Wenn das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 ein Farbfilter ist, kann die Wellenlängenwandlung dadurch bewerkstelligt werden, dass dieses im Lichtstrahlungspfad des Lichtemissionselements 14 installiert wird, wie es in der 3D dargestellt ist. Alternativ wird das Füllmaterial 18a unter dem Farbfilter eingefüllt, um das Lichtemissionselement 14 zu schützen und um einen für die Lichttransmission günstigen Brechungsindexgradienten zu bilden.
Wie es in den 3E bis 3G dargestellt ist, wird auf dem lichtdurchlässigen Element 18 ferner eine wellenartige Anordnung 18B ausgebildet, die über eine wellenartige Oberfläche mit einer festen Wellenausbreitungsrichtung verfügt, wobei es sich um die Anordnungsrichtung oder die Wellenfrontrichtung der wellenartigen Anordnung 18B handelt. Die auf der wellenartigen Anordnung 18B ausgebildeten Wellenstrukturen bilden eine Anzahl von Mikrolinsen, durch die Licht unter verschiedenen Winkeln gebrochen wird und gestreut wird, um die Erzeugung örtlicher Lichtflecke zu vermeiden. Um es zu ermöglichen, dass die wellenartige Anordnung 18B ein besseres Lichtstreuvermögen zeigt, beträgt der Durchmesser jeder Mikrolinse ungefähr 50 – 60 μm.
Wenn die Wellen der wellenartigen Anordnung 18B aufeinanderfolgend ausgebildet werden, beträgt der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen oder Wellentälern zwischen 100 μm und 120 μm.
Wenn die Anordnungsrichtung mehrerer Lichtemissionselemente 14 parallel zur Anordnungsrichtung der wellenartigen Anordnung 18B, d.h. der Wellenfrontrichtung, verläuft, wird das durch die wellenartige Anordnung 18B laufende Licht in ein Lichtmuster gewandelt, das im Wesentlichen parallel zur Wellenfrontrichtung der wellenartigen Anordnung 18B verläuft. Demgemäß wird, wenn die Anordnungsrichtung der Lichtemissionselemente 14 und die Wellenfrontrichtung der wellenartigen Anordnung 18B beide als lineares Muster ausgebildet sind, das Licht als lineares Muster gestreut, wohingegen dann, wenn sie beide mit gekrümmtem oder radialem Muster ausgebildet sind, das Licht mit gekrümmtem oder radialem Muster gestreut wird. Theoretisch kann das von den Lichtemissionselementen 14 erzeugte Licht als sich entlang der Wellenfrontrichtung erstreckendes Lichtmuster gestreut werden, wenn die Anordnungsrichtung der Lichtemissionselemente 14 parallel oder ungefähr parallel zur Wellenfrontrichtung der wellenartigen Anordnung 18B verläuft.
Wie es in der 3H dargestellt ist, kann das lichtdurchlässige Element 18 mit einer flügelförmigen Schutzform hergestellt werden, die über einen flügelförmigen Vorsprungsteil 1801, eine ausgesparte Öffnung 1802 und eine Lichteintrittsfläche 1803 verfügt. Die ausgesparte Öffnung 1802 befindet sich an einer Position weit entfernt von der Lichteintrittsfläche 1803, vorzugsweise an der Seite entgegengesetzt zu dieser. Der flügelförmige Vorsprungsteil 1801 erstreckt sich ausgehend von der ausgesparten Öffnung 1802 zu zwei entgegengesetzten Seiten derselben, wobei die Spitzen der Flügel nicht notwendigerweise spitz ausgebildet sein müssen, sondern sie auch als gekrümmte oder ebene Fläche ausgebildet sein können. Das lichtdurchlässige Element 18 erstreckt sich in einer Längsrichtung, vorzugsweise einer Richtung orthogonal zur Richtung, in der sich der flügelförmige Vorsprungsteil 1801 erstreckt.
Ein Teil des von den Lichtemissionselementen 14 emittierten Lichts, das auf die Lichteintrittsfläche 1803 fällt, wird durch die ausgesparte Öffnung 1802 zu den beiden Seiten intern totalreflektiert und zum flügelförmigen Vorsprungsteil 1801 gelenkt, während andere Teile des Lichts, das durch die ausgesparte Öffnung 1802 läuft, gemäß dem Snellschen Gesetz gebrochen werden kann, das für den Unterschied der Brechungsindizes zwischen dem lichtdurchlässigen Element 18 und dem optischen Umgebungsmedium gilt. Da ein Teil des Lichts intern totalreflektiert wird, ist der Fluss des die ausgesparte Öffnung 1802 direkt verlassenden Lichts verringert, so dass verhindert ist, dass das von den Lichtemissionselementen 14 emittierte Licht auf dem lichtdurchlässigen Element 18 örtliche Lichtflecke bildet. Die Form der ausgesparten Öffnung 1802 kann eine V- oder eine U-Form sein, und vorzugsweise zeigen die Spitzen derselben zur Lichteintrittsfläche 1803 oder zur Lichtaustrittsfläche der Lichtemissionselemente 14.
Das Licht, das direkt oder indirekt in den flügelförmigen Vorsprungsteil 1801 fällt, verlässt diesen durch Reflexion oder Brechung, oder es wird nach mehrmaliger interner Reflexion im flügelförmigen Vorsprungsteil 1801 allmählich gemischt.
Ferner kann die wellenartige Anordnung 18B auch auf dem flügelförmigen Vorsprungsteil, in der ausgesparten Öffnung 1802 und/oder auf der Lichteintrittsfläche 1803 ausgebildet werden. Wenn die Anordnungsrichtung der Lichtemissionselemente 14 parallel oder ungefähr parallel zur Wellenfrontrichtung der wellenartigen Anordnung 18B verläuft, oder in der Längsrichtung des lichtdurchlässigen Elements 18, breitet sich das Licht entsprechend der Wellenfrontrichtung und der Längsrichtung aus, wie es oben beschrieben ist.
Die Lichtemissionselemente 14 sind z.B. LEDs, die sichtbares oder unsichtbares Licht emittieren. Wenn sie unsichtbares Licht emittieren, ist das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 ein solches, das durch das unsichtbare Licht angeregt werden kann und sichtbares Licht erzeugen kann.
Wenn die Wellenlänge des von den Lichtemissionselementen 14 emittierten Lichts UV(Ultraviolett)-Licht ist, d.h. mit 10 – 420 nm, vorzugsweise mit 200 – 420 nm, kann mittels eines ausgewählten, durch das UV-Licht angeregten Wellenlängenwandlungsmaterials 19 farbiges Licht, wie rotes, blaues und/oder grünes Licht emittiert werden. Ein Wellenlängenwandlungsmaterial 19, das durch UV-Licht angeregt werden kann und rotes Licht emittiert, ist beispielsweise Y₂O₂S:EU,Bi; Y₂O₃S:EU,Bi; und 3,5MgO·0,5MgF₂·GeO₂:Mn⁺⁴, wo bei die zugehörige angeregte Wellenlänge 330 – 420 nm beträgt. Ein Wellenlängenwandlungsmaterial 19, das durch UV-Licht angeregt werden kann und blaues Licht emittiert, ist beispielsweise BaMg₂Al₁₆O₂₇:EU; (SaBaCa)₅(PO₄)₃Cl:Eu; und Sr₄Al₁₄O₂:Eu, wobei die zugehörige angeregte Wellenlänge 220 – 330 nm beträgt. Ein Wellenlängenwandlungsmaterial 19, das durch UV-Licht angeregt werden kann und grünes Licht emittiert, ist beispielsweise ein Erdalkalisilikat-Leuchtstoff, vorzugsweise ein mit Europium (Eu) dotierter Erdalkalisilikat-Leuchtstoff, wobei die zugehörige angeregte Wellenlänge 200 – 420 nm, vorzugsweise 360 – 400 nm beträgt; die Zusammensetzung ist z.B. (SrBaMg)₂SiO₄:Eu, wobei dieses Material über eine kleine Bandbreite verfügt, d.h., dass der FWHM(Full Width Half Maximum)-Wert kleiner als 35 nm ist, was kleiner als der FWHM-Wert von durch InGaN-LEDs emittiertem grünem Licht ist. Kommerzielle Erzeugnisse sind z.B. von Intematix Corporation, Ca., USA hergestellte Leuchtstoffe, wie diejenigen der Reihen G400^TM/G380^TM/ G360^TM.
Andere Leuchtstoffe, die durch UV-Licht anregbar sind und grünes Licht emittieren, sind beispielsweise (Ba_1-x-y-zCa_xSr_yEu_z)₂(Mg_1-wZn_w)Si₂O₇, mit x+y+z=1, 0,05>z>0 und w<0,05; Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu,Mn; Ba₂SiO₄:Eu; Ba₂MgSi₂O₇:Eu; BaAl₂O₄:Eu; SrAl₂O₄:Eu; und BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu, usw., wobei die zugehörige angeregte Wellenlänge 330 – 420 nm beträgt.
Das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 kann während des Prozesses zur Gehäuseherstellung des Lichtemissionselements 14, um die Baugruppe 1 auszubilden, über den Lichtemissionselementen 14 hergestellt werden, oder es kann direkt während des Chipherstellprozesses auf einem Chip hergestellt werden, wobei ein Anbringen desselben im lichtdurchlässigen Element 18 oder zwischen diesem und den Lichtemissionselementen 14 vermieden wird. Es kann ein Verfahren mit direkter Herstellung des Wellenlängenwandlungsmaterials 19 auf einem Chip angewandt werden, wie es bei der vorigen Ausführungsform beschrieben wurde.
Obwohl bei dieser Ausführungsform Lichtemissionselemente 14 vom Flipchiptyp verwendet sind, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern es können auch hier die bei der zweiten Ausführungsform angegebenen Lichtemissionselemente 14 verwendet werden.
Vierte Ausführungsform
Bei der durch die 4A und 4B veranschaulichten vierten Ausführungsform kennzeichnet die Bezugszahl 22 eine Konvektionswärme-Transporteinrichtung, und 23 kennzeichnet einen elektrischen Bodenkontakt.
Wenn sich die positive und die negative Elektrode des Lichtemissionselements 14 auf entgegengesetzten Seiten befinden, d.h., wenn sich eine Elektrode im Gebiet entfernt vom Verbundsubstrat 10 befindet, während die andere demselben zugewandt ist, ist es nicht einfach, den elektrischen Kontakt 20 mittels des leitenden Drahts 17 zu verbinden. Wenn das Verbundsubstrat 10 ein elektrischer Leiter ist, kann eine der Elektroden des Lichtemissionselements 14 in direktem Kontakt mit ihm stehen, wie es in den 4A und 4B dargestellt ist, und das Verbundsubstrat 10 fungiert als elektrischer Kontakt. Andernfalls wird als Kontakt zur Ausgabeverbindung ein elektrischer Bodenkontakt 23 auf dem Verbundsubstrat 10 hergestellt. Alternativ kann im Verbundsubstrat 10 eine leitende Durchführung (nicht dargestellt) ausgebildet werden, um das Lichtemissionselement 14 elektrisch mit dem elektrischen Bodenkontakt 23 zu verbinden.
Ferner ist auf dem Verbundsubstrat 10 eine Konvektionswärme-Transporteinrichtung 22 installiert, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Diese Einrichtung 22 ist dergestalt, dass sie über Wärmeabführrippen, ein poröses Keramikmaterial, ein poröses Verbundmaterial usw. verfügt, um die vom Lichtemissionselement 14 zum Verbundsubstrat 10 übertragene Wärme durch natürliche oder erzwungene Konvektion mittels eines Umgebungsfluids abzuführen. Aufgrund des hohen Wärmeleitungskoeffizienten verfügt das Verbundsubstrat 10 demgemäß über eine gleichmäßige Temperaturverteilung, so dass die Volumentemperatur desselben durch Unterstützung der Konvektionswärme-Transporteinrichtung 22 effektiv gesenkt werden kann. Die Konvektionswärme-Transporteinrichtung 22 kann direkt als Einheit mit dem Verbundsubstrat 10 hergestellt werden, wie es in der 4A dargestellt ist, oder sie kann als unabhängiges Element am Verbundsubstrat 10 angebracht werden, wie es in der 4B dargestellt ist.
Die Aussparung 13 ist bei den Ausführungsformen beispielhaft dargestellt, jedoch bildet sie kein notwendiges Merkmal der Erfindung. Anders gesagt, kann das Lichtemissionselement 14 auf einem Schaltungslayoutträger 11 angebracht werden, in dem keine Aussparung ausgebildet ist, und das lichtdurchlässige Element 18 und/oder das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 können so angebracht werden, dass sie das Lichtemissionselement 14 bedecken. Die Herstellabfolge für das lichtdurchlässige Element 18 und/oder das Wellenlängenwandlungsmaterial 19 ist dergestalt, wie es durch die 3A bis 3D veranschaulicht ist, wobei auch andere Anbringungsarten dergestalt sind, wie es bei den obigen Ausführungsformen beschrieben ist.
Darüber hinaus kann die Baugruppe 1 auch als Arrayformat vorliegen, wie es in der 5 dargestellt ist. Dabei sind mehrere Aussparungen 13 in der Schaltungslayoutträger 11 ausgebildet, wobei in jeder Aussparung 13 ein oder mehrere Lichtemissionselemente 14 angeordnet sind, die parallel oder in Reihe geschaltet sind. Alternativ können die mehreren Lichtemissionselemente auch direkt auf dem Verbundsubstrat 10 angebracht werden, also ohne dass Aussparungen vorhanden wären. Strukturelle Variationen eines derartigen, Licht emittierenden Halbleiterarrays sind ähnlich wie diejenigen bei den obigen Ausführungsformen, so dass sie hier nicht erneut erläutert werden.

Claims

Baugruppe (1) mit mindestens einem Licht emittierenden Halbleiterelement (14), mit: – einem Verbundsubstrat (10) mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von im Wesentlichen 12 × 10^–6/°C oder weniger und einem Wärmeleitungskoeffizienten von im Wesentlichen 150W/mK oder mehr; – einem Schaltungslayoutträger (11); – einer Verbindungsstruktur (12) zum Verbinden des Verbundsubstrats mit dem Schaltungslayoutträger; und – einem Licht emittierenden Halbleiterelement, das auf einer Seite des Verbundsubstrats angeordnet ist und elektrisch mit dem Schaltungslayoutträger verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaltungslayoutträger (11) eine Aussparung (13) ausgebildet ist, die sich zum Verbundsubstrat (10) hin erstreckt, wobei das mindestens eine Lichtemissionselement (14) in der Aussparung angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das das Verbundsubstrat (10) bildende Material ein Metallmatrix-Verbundstoff (MMC), ein Polymermatrix-Verbundstoff (PMC), ein Keramikmatrix-Verbundstoff (CMC), ein Äquivalent hierzu oder eine Kombination hiervon ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen den Wärmeexpansionskoeffizienten des Lichtemissionselements (14) und des Verbundsubstrats (10) im Wesentlichen 10 × 10^–6/°C oder weniger beträgt.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungslayoutträger (11) in Form eines Halbleitersubstrats, einer gedruckten Leiterplatte (PCB), einer flexiblen gedruckten Schaltung (FPC), eines Si-Substrats, eines Keramiksubstrats, eines Äquivalents hierzu oder einer Kombination hiervon vorliegt.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (12) über eine flexible Kleberschicht verfügt.
Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Kleberschicht aus Benzocyclobuten (BCB), Epoxid, Polyimid, SOG (Spin On Glass), Silicon, Lot, einem Äquivalent hierzu oder einer Kombination hiervon besteht.
Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (12) ferner über eine Reaktionsschicht verfügt, die auf einer Seite der flexiblen Kleberschicht ausgebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschicht aus Siliciumnitrid (SiN_x), Epoxid, Titan (Ti), Chrom (Cr), einem Äquivalent hierzu oder einer Kombination hiervon besteht.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (12) über mehrere Metallschichten verfügt, die das Lichtemissionselement (14) und das Halbleitersubstrat durch eutektisches Bonden verbinden.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (13) mit sich verjüngender Form ausgebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (13) über eine Reflexionsschicht verfügt.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein lichtdurchlässiges Element vorhanden ist, das die Aussparung (13) bedeckt.
Baugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem lichtdurchlässigen Element eine wellenartige Anordnung mit einer Wellenfrontrichtung ausgebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtemissionselement (14) im Wesentlichen entsprechend der Wellenfrontrichtung angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtdurchlässige Element eine optische Linse ist.
Baugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtdurchlässige Element Folgendes aufweist: – eine Lichteintrittsfläche, die dem Lichtemissionselement (14) zugewandt ist; – eine ausgesparte Öffnung und – einen flügelförmigen Vorsprungsteil, der sich von der ausgesparten Öffnung zu zwei entgegengesetzten Seiten derselben erstreckt.
Baugruppe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesparte Öffnung über eine Spitze verfügt, die zur Lichteintrittsfläche zeigt.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Lichtemissionselement (14) ein Wellenlängenwandlungsmaterial (19) zum Wandeln der Lichtwellenlänge angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenwandlungsmaterial (19) ein Leuchtstoffpulver, ein Farbfilter, ein Äquivalent hierzu oder eine Kombination hiervon ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbundsubstrat (10) und der Verbindungsstruktur (12) eine Einebnungsschicht ausgebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einebnungsschicht aus Nickel (Ni) oder einem Material besteht, das an der Verbindungsstruktur (12) anhaftet.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtemissionselement (14) eine Leuchtdiode (LED), eine Laserdiode (LD), ein Äquivalent hierzu oder eine Kombination hiervon ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtemissionselement (14) eine Flipchipstruktur aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Kontakt vorhanden ist, der auf zumindest einem Teil der Oberfläche der Aussparung (13) ausgebildet ist und elektrisch mit dem Lichtemissionselement (14) und dem Schaltungslayoutträger (11) verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konvektionswärme-Transporteinrichtung mit dem Verbundsubstrat (10) verbunden ist, um dieses durch Wärmekonvektion zu kühlen.
Baugruppe nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvektionswärme-Transporteinrichtung in Form von Wärmeabführrippen, eines porösen Keramikmaterials, eines porösen Verbundmaterials, eines Äquivalents hierzu oder einer Kombination hiervon vorliegt.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtemissionselement (14) elektrisch mit dem Verbundsubstrat (10) verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtemissionselement (14) elektrisch mit einem elektrischen Bodenkontakt verbunden ist, der auf der anderen Seite des Verbundsubstrats (10) angebracht ist.
Baugruppe nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundsubstrat (10) mit einer leitenden Durchführung für elektrische Verbindung mit dem Lichtemissionselement (14) versehen ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtemissionselement (14) Folgendes aufweist: – einen Emitter für ultraviolettes Licht und – ein Wellenlängenwandlungsmaterial (19), das durch das ultraviolette Licht beleuchtet wird und sichtbares Licht emittiert.
Baugruppe nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenwandlungsmaterial (19) ein mit Europium (EU) aktiviertes Erdalkalisilikat ist.
Baugruppe nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenwandlungsmaterial (19) aus Folgendem besteht: (SrBaMg)₂SiO₄:Eu; (Ba_1-x-y-zCa_xSr_yEu_z)₂(Mg_1-wZn_w)Si₂O₇, mit x+y+z=1, 0,05>z>0 und w<0,05; Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu,Mn; Ba₂SiO₄:Eu; Ba₂MgSi₂O₇:Eu; BaAl₂O₄:Eu; SrAl₂O₄:Eu; oder BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu.