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Die
Erfindung betrifft eine wärmeleitfähige Schicht,
eine optoelektronische Anordnung, ein Verfahren zur Herstellung
einer wärmeleitfähigen Schicht und ein Verfahren
zur Herstellung einer optoelektronischen Anordnung.
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Eine
von einem Halbleiterkörper freigesetzte Wärmeleistung
wird üblicherweise über ein Gehäuse des
Halbleiterkörpers abgeleitet. Mit einer erhöhten thermischen
Leitfähigkeit eines Gehäusematerials kann ein
höherer Maximalwert der Leistungsaufnahme des Halbleiterkörpers
toleriert werden. Es ist möglich, durch eine erhöhte
thermische Leitfähigkeit des Gehäusematerials
die Wärmeabfuhr und damit die Lebensdauer des Halbleiterkörpers
zu erhöhen.
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Die
Druckschrift
DE 10327530
A1 beschreibt eine Vorrichtung mit einer Wärmequelle,
einer Wärmesenke sowie einer Zwischenlage aus einem wärmeleitenden
Material. Das wärmeleitende Material umfasst Carbon-Nanofasern.
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In
der Druckschrift
DE
10006964 A1 ist die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren,
englisch carbon nano tubes, zur Herstellung einer elektrisch leitenden
Verbindung angegeben.
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Die
Druckschrift
US 7,108,841
B2 befasst sich mit der Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine wärmeleitfähige
Schicht, eine optoelektronische Anordnung, ein Verfahren zur Herstellung
einer wärmeleitfähigen Schicht und ein Verfahren
zur Herstellung einer optoelektronischen Anordnung bereitzustellen,
bei denen die Wärmeableitung verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den Gegenständen der Patentansprüche
1 und 19 sowie den Verfahren gemäß den Patentansprüchen
23, 35 und 36 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und
Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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In
einer Ausführungsform umfasst eine wärmeleitfähige
Schicht eine erste Hauptfläche, eine zweite Hauptfläche
und mehrere wärmeleitfähige Elemente. Die wärmeleitfähigen
Elemente sind auf der ersten Hauptfläche angeordnet. Die
wärmeleitfähigen Elemente haben Vorzugsrichtungen,
welche die erste Hauptfläche schneiden.
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Mit
Vorteil sind die wärmeleitfähigen Elemente an
der ersten Hauptfläche angeordnet, sodass sie sehr gut
zur Abfuhr einer an der ersten Hauptfläche auftretenden
Wärme geeignet sind. Mit Vorteil weisen die wärmeleitfähigen
Elemente Vorzugsrichtungen auf, sodass sie eine gerichtete Ableitung
von Wärme ermöglichen. Da die Vorzugsrichtungen
die erste Hauptfläche schneiden, wird eine an der ersten Hauptfläche
auftretende wärme mit Vorteil von der ersten Hauptfläche
weggeführt.
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In
einer Ausführungsform sind die Vorzugsrichtungen der wärmeleitfähigen
Elemente näherungsweise parallel zueinander. Mit Vorteil
ist somit eine gerichtete Abfuhr der Wärme ermöglicht.
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In
einer Ausführungsform sind die Vorzugsrichtungen der wärmeleitfähigen
Elemente näherungsweise parallel zu einer Flächennormale
ausgerichtet, die auf der ersten Hauptfläche senkrecht steht.
Mit Vorteil wird somit die Wärme senkrecht zur ersten Hauptfläche
abgeleitet.
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Bevorzugt
ist die wärmeleitfähige Schicht zur Wärmeleitung
zwischen der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche
vorgesehen.
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In
einer Ausführungsform tritt eine Wärmeflussrichtung
in der wärmeleitfähigen Schicht auf. Mit Vorteil
entsprechen die Vorzugsrichtungen der wärmeleitfähigen
Elemente der Wärmeflussrichtung.
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In
einer Ausführungsform tritt ein Wärmeleitpfad
in der wärmeleitfähigen Schicht auf. Bevorzugt liegen
die wärmeleitfähigen Elemente auf dem Wärmeleitpfad.
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In
einer Ausführungsform sind die wärmeleitfähigen
Elemente rasterförmig an der ersten Hauptfläche
angeordnet. Mit Vorteil sind somit eine Homogenität der
Wärmeleitfähigkeit der wärmeleitfähigen Schicht
und damit eine Gleichmäßigkeit der Wärmeabfuhr
gewährleistet.
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Bevorzugt
umfassen die wärmeleitfähigen Elemente jeweils
ein Nanostrukturelement. In einer Ausführungsform zeigen
die wärmeleitfähigen Elemente jeweils eine zylinderförmige
Ausdehnung. Dabei ist die Zylinderachse die Vorzugsrichtung des
jeweiligen wärmeleitfähigen Elementes.
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Bevorzugt
umfassen die wärmeleitfähigen Elemente Nanoröhren
oder Nanostäbe.
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In
einer Ausführungsform weisen die wärmeleitfähigen
Elemente Kohlenstoffatome auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die wärmeleitfähigen
Elemente jeweils eine Kohlenstoff-Nanoröhre, englisch carbon
nano tubes. Mit Vorteil weisen die Kohlenstoff-Nanoröhren
eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Kohlenstoff-Nanoröhren
können als Fullerite ausgebildet sein. In einer alternativen
Ausführungsform sind die Kohlenstoff-Nanoröhren
als mehrwandige Röhren, englisch multi-walled carbon nano
tubes, ausgebildet. Bevorzugt sind die Kohlenstoff-Nanoröhren
als Einzelwand-Nanoröhren, englisch single-walled carbon nano
tubes, realisiert. In einer Ausführungsform kann beispielsweise
ein Durchmesser einer Kohlenstoff-Nanoröhre in einem Bereich
von 1 bis 50 nm liegen.
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In
einer Ausführungsform ist eine Länge der Kohlenstoff-Nanoröhren
geringer als eine Dicke D der wärmeleitfähigen
Schicht. Mit der Dicke D ist der Abstand der ersten zu der zweiten
Hauptfläche der wärmeleitfähigen Schicht
bezeichnet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Länge
der Kohlenstoff-Nanoröhren näherungsweise gleich
der Dicke D der wärmeleitfähigen Schicht. Mit
Vorteil ist somit eine unmittelbare Wärmeübertragung
von der ersten Hauptfläche zu der zweiten Hauptfläche
mittels einer Parallelschaltung aus Kohlenstoff-Nanoröhren
ermöglicht.
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Mit
Vorteil weisen die Kohlenstoff-Nanoröhren eine hohe Temperaturstabilität
auf. Die Temperaturstabilität kann beispielsweise in einer
Ausführungsform einer Kohlenstoff-Nanoröhre bis
zu 2800 Grad Celsius im Vakuum und bis zu 750 Grad Celsius in Luft
betragen. Mit Vorteil weisen die Kohlenstoff-Nanoröhren
eine hohe mechanische Zugfestigkeit auf. Da her zeigt die wärmeleitfähige
Schicht ebenfalls eine hohe mechanische Festigkeit, insbesondere
eine Zugfestigkeit.
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In
einer Ausführungsform weist die wärmeleitfähige
Schicht eine Matrix auf, welche die wärmeleitfähigen
Elemente umgibt. Die Matrix kann ein Polymermaterial aufweisen.
Bevorzugt kann die Matrix ein Metall aufweisen. Eine Matrix aus
Metall zeigt mit Vorteil eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit,
welche die bereits hohe Wärmeleitfähigkeit der
wärmeleitfähigen Elemente ergänzt. Das
Metall kann Aluminium sein.
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In
einer Ausführungsform umfassen die wärmeleitfähigen
Elemente eine Oberflächenbeschichtung. Die Oberflächenbeschichtung
kann bifunktionale Moleküle aufweisen. Die bifunktionalen
Moleküle haften einerseits am jeweiligen wärmeleitfähigen
Element und andererseits an der Matrix. Die Oberflächenbeschichtung
kann bevorzugt Siliziumcarbid umfassen. Es ist ein Vorteil der Oberflächenbeschichtung,
dass eine gute Haftung der Matrix an die wärmeleitfähigen
Elemente erzielt wird.
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In
einer Ausführungsform wird mit Vorteil mittels der Oberflächenbeschichtung
erzielt, dass die wärmeleitfähigen Elemente nicht
von der Matrix angegriffen werden können. Beispielsweise
kann eine Oberflächenbeschichtung, welche Siliziumcarbid
SiC aufweist, den Angriff eines flüssigen Metalls, wie
beispielsweise Aluminium, auf die Kohlenstoff-Nanoröhren
weitestgehend verhindern.
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In
einer Ausführungsform sind mehrere Partikel an der ersten
Hauptfläche der wärmeleitfähigen Schicht
rasterförmig angeordnet. Zwischen den Partikeln können
die wärmeleitfähigen Elemente angeordnet sein.
Mit Vorteil weisen die Partikel eine Oberflächenbeschichtung
auf. Die Oberflächenbeschichtung kann bifunktionale Moleküle
umfassen. Bevorzugt weist die Oberflächenbeschichtung Siliziumcarbid
auf. Die Partikel weisen eine im Wesentlichen kugelförmige
Ausdehnung auf.
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In
einer Ausführungsform weist die wärmeleitfähige
Schicht eine Bekeimungsschicht auf, auf der die wärmeleitfähigen
Elemente befestigt sind. Die Bekeimungsschicht kann mit Vorteil
als Ausgangschicht für das Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhren
dienen.
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Eine
optoelektronische Anordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip weist
eine Stapelanordnung auf, die einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper
und die wärmeleitfähige Schicht umfasst. Der strahlungsemittierende
Halbleiterkörper umfasst eine Strahlungsaustrittsseite
und eine Unterseite, die der Strahlungsaustrittsseite gegenüberliegt.
Die wärmeleitfähige Schicht ist mit der Unterseite
mechanisch verbunden.
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Mit
Vorteil wird somit eine im strahlungsemittierenden Halbleiterkörper
anfallende Wärme sehr gut thermisch leitend über
die Unterseite und die wärmeleitfähige Schicht
abgeführt. Bevorzugt ist die wärmeleitfähige
Schicht mit der Unterseite auch thermisch verbunden.
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Der
strahlungsemittierende Halbleiterkörper kann eine Leuchtdiode
umfassen. Die Leuchtdiode kann als Leistungsleuchtdiode, englisch
high brightness light emitting diode, abgekürzt HB-LED,
realisiert sein.
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Der
strahlungsemittierende Halbleiterkörper kann als Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip
ausgebildet sein, welcher sich insbe sondere durch folgende charakteristische
Merkmale auszeichnet:
- – an einer zu
einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche
einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht
aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der
Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in
diese zurückreflektiert;
- – die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich
von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm
auf; und
- – die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine
Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine
Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd
ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge
führt, das heißt sie weist. ein möglichst
ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
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Ein
Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise
in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober
1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern
hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
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Ein
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung
ein Lambert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von
daher besonders gut für die Anwendung in einem Scheinwerfer.
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Bevorzugt
umfasst die Epitaxieschichtenfolge wenigstens eine aktive Zone,
die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung geeignet ist. Dazu kann
die aktive Zone beispielsweise einen pn-Übergang, eine
Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf- oder besonders bevorzugt
eine Mehrfach-Quantentopf struktur, abgekürzt MQW, aufweisen.
Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung
insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch
Einschluss, englisch confinement, eine Quantisierung ihrer Energiezustände
erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung
Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität
der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge,
Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser
Strukturen.
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In
einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung
einer wärmeleitfähigen Schicht ein Aufwachsen
mehrerer wärmeleitfähiger Elemente auf einem Träger.
Der Träger ist näherungsweise parallel zu einer
ersten Hauptfläche der wärmeleitfähigen
Schicht angeordnet. Dabei zeigen die wärmeleitfähigen
Elemente Vorzugsrichtungen, welche die erste Hauptfläche
der wärmeleitfähigen Schicht schneiden.
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Mit
Vorteil wird eine gute thermische Ankopplung der wärmeleitfähigen
Elemente an die erste Hauptfläche der wärmeleitfähigen
Schicht erzielt.
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In
einer Ausführungsform umfassen die wärmeleitfähigen
Elemente jeweils eine Kohlenstoff-Nanoröhre. In einer Ausführung
werden die Kohlenstoff-Nanoröhren mittels einer Lichtbogenentladung zwischen
zwei Kohlenstoffelektroden hergestellt. Alternativ werden die Kohlenstoff-Nanoröhren
durch Laserablation hergestellt. Dabei verdampft ein Laser ein Graphit-Target,
welches sich in einem Hochtemperaturreaktor befindet. Auf kühleren
Stellen im Reaktor wie dem Träger wachsen daraufhin die
Kohlenstoff-Nanoröhren auf.
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In
einer alternativen Ausführungsform werden die Kohlenstoff-Nanoröhren
mittels einer chemischen Abscheidung aus der Gasphase, englisch
chemical vapor deposition, abgekürzt CVD, hergestellt. Bei
einem CVD-Prozess wird ein kohlenstoffhaltiges Gas wie Acetylen,
Ethylen, Ethanol oder Methan eingesetzt.
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Auf
den Träger kann eine Bekeimungsschicht abgeschieden werden.
Die Kohlenstoff-Nanoröhren können dann an der
Bekeimungsschicht wachsen.
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Bevorzugt
wird der chemische Abscheideprozess aus der Gasphase mittels eines
Plasmas unterstützt. Im Englischen wird ein derartiges
Verfahren als plasma-enhanced chemical-vapordeposition, abgekürzt
PECVD, bezeichnet.
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In
einer Ausführungsform wird eine Maskenschicht auf dem Träger
abgeschieden. Die Maskenschicht kann Freibereiche aufweisen, in
denen die wärmeleitfähigen Elemente angeordnet
sind.
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In
einer Ausführungsform ist die Maskenschicht als nanolithografische
Maskenschicht ausgebildet.
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In
einer Ausführungsform werden als Maskenschicht Partikel
verwendet, die auf den Träger aufgebracht werden. Die Freibereiche
können damit die Zwischenräume zwischen den Partikeln
sein. Die Partikel können als Kugeln ausgebildet sein.
Bevorzugt werden die Partikel als Monolage auf den Träger aufgebracht.
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Die
Partikel können einen Isolator als Material aufweisen.
Der Isolator kann beispielsweise Siliziumdioxid oder Zirkoniumoxid
sein. Alternativ können die Partikel ein Metall als Material
umfassen. Beispielsweise kann das Metall Gold oder Aluminium sein.
Ein Metall als Material der Partikel bewirkt vorteilhafterweise,
dass auch die Partikel eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Bevorzugt weisen die Partikel ein Polymer als Material
auf. Mit Vorteil kann das Polymer bereits bei niedrigen Temperaturen, nachdem
es als Maske für die wärmeleitfähigen
Elemente eingesetzt worden ist, wieder entfernt werden.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Anordnung nach
dem vorgeschlagenen Prinzip umfasst die Herstellung der wärmeleitfähigen Schicht,
wobei die Herstellung der wärmeleitfähigen Schicht
auf einem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper durchgeführt
wird. Der strahlungsemittierende Halbleiterkörper weist
eine Strahlungsaustrittsseite und eine Unterseite auf, welche der
Strahlungsaustrittsseite gegenüberliegt. Dabei wird die
Unterseite als Träger zur Herstellung der wärmeleitfähigen Schicht
verwendet.
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Alternativ
umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Anordnung
die Herstellung einer wärmeleitfähigen Schicht
und ein Befestigen der wärmeleitfähigen Schicht
an der Unterseite des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers. In
einer Ausführungsform wird dazu die wärmeleitfähige
Schicht auf einem Träger hergestellt und anschließend
von dem Träger gelöst. Die wärmeleitfähige
Schicht kann somit zur Wärmekopplung zwischen dem strahlungsemittierenden
Halbleiterkörper und einer Wärmesenke befestigt
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen
anhand der Figuren näher erläutert. Funktions-
beziehungsweise wirkungsgleiche Strukturen und Komponenten tragen
gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Strukturen oder Kompo nenten in
ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder
der folgenden Figuren wiederholt.
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Es
zeigen:
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1A bis 1D beispielhafte
Ausführungsformen einer wärmeleitfähigen
Schicht nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2 eine
beispielhafte Ausführungsform eines wärmeleitfähigen
Elementes,
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3A bis 3G eine
beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung
einer wärmeleitfähigen Schicht nach dem vorgeschlagenen
Prinzip und
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4A bis 4C beispielhafte
Ausführungsformen einer optoelektronischen Anordnung mit
einer wärmeleitfähigen Schicht nach dem vorgeschlagenen
Prinzip.
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1A zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform einer warmeleitfähigen
Schicht nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die wärmeleitfähige Schicht 1 weist
eine erste Hauptfläche 2 und eine zweite Hauptfläche 3 auf.
Darüber hinaus weist die wärmeleitfähige
Schicht 1 mehrere wärmeleitfähige Elemente 10 bis 13 auf,
die mit der ersten Hauptfläche 2 mechanisch verbunden
sind. Die wärmeleitfähige Elemente 10 bis 13 sind
mit der ersten Hauptfläche 2 auch thermisch verbunden.
Die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 erstrecken
sich von der ersten Hauptfläche 2 in Richtung
der zweiten Hauptfläche 3. Die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 zeigen Vorzugsrichtungen.
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Die
Vorzugsrichtungen schneiden die erste Hauptfläche 2.
Die Vorzugsrichtungen der wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 sind
näherungsweise parallel zueinander. Darüber hinaus
sind die Vorzugsrichtungen näherungsweise parallel zu einer
Flächennormale 4, welche senkrecht auf der ersten Hauptfläche 2 steht.
Die wärmeleitfähige Schicht 1 weist eine
Dicke D auf. Damit entspricht der Abstand von der ersten Hauptfläche 2 zu
der zweiten Hauptfläche 3 der Dicke D. Eine Wärmeflussrichtung
P erstreckt sich von der ersten Hauptfläche 2 zu
der zweiten Hauptfläche 3. Die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 sind zylinderförmig
ausgebildet. Die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 umfassen
jeweils ein Nanostrukturelement. Die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 weisen jeweils eine Kohlenstoff-Nanoröhre auf.
Die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 umfassen
eine Oberflächenbeschichtung 14. Die Oberflächenbeschichtung 14 weist
Siliziumcarbid auf.
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Die
wärmeleitfähige Schicht 1 umfasst darüber
hinaus eine Matrix 5, welche die Zwischenräume zwischen
den wärmeleitfähigen Elementen 10 bis 13 ausfüllt.
Die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 sind
somit von der Matrix 5 umgeben. Die Matrix 5 ist aus
Metall ausgebildet. Das Metall ist Aluminium. Die Matrix 5 füllt
den verbleibenden Raum zwischen der ersten Hauptfläche 2 und
der zweiten Hauptfläche 3 sowie zwischen den wärmeleitfähigen
Elementen 10 bis 13 aus.
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Mit
Vorteil wird aufgrund der mehreren wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 eine hohe thermische Leitfähigkeit
der wärmeleitenden Schicht 1 erzielt.
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In
einer Ausführungsform weisen die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 eine Länge entlang
ihrer jeweiligen Vorzugsrichtung auf, die der Dicke D der wärmeleitfähigen
Schicht 1 ent spricht. Mit Vorteil können somit
die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 direkt
die erste Hauptfläche 2 mit der zweiten Hauptfläche 3 thermisch
verbinden. In einer anderen Ausführungsform ist die Länge
der wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 kleiner
als die Dicke D der wärmeleitenden Schicht 1.
Mit Vorteil nehmen somit die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 eine Wärme an der
ersten Hauptfläche 2 auf, leiten sie entlang ihren Vorzugsrichtungen
weiter und geben sie an die Matrix 5 ab.
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In
einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform erstreckt
sich die Wärmeflussrichtung P von der zweiten Hauptfläche 3 zu
der ersten Hauptfläche 2.
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1B zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer wärmeleitfähigen
Schicht nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die eine Weiterbildung der
wärmeleitfähigen Schicht gemäß 1A ist.
Die wärmeleitfähige Schicht 1 gemäß 1B umfasst zusätzlich
Partikel 20 bis 24. Die Partikel 20 bis 24 sind
an der ersten Hauptfläche 2 angeordnet. In Freibereichen 28 zwischen
den Partikeln 20 bis 24 befinden sich die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13. Die Partikel 20 bis 24 weisen
eine Oberflächenbeschichtung 25 auf. Die Oberflächenbeschichtung 25 umfasst
Siliziumcarbid. Die Partikel 20 bis 24 weisen ein
Polymermaterial auf. Die Partikel 20 bis 24 sind als
Kugeln realisiert. Die wärmeleitfähige Schicht 1 umfasst
darüber hinaus zusätzliche wärmeleitfähige Elemente 20,
die in der Matrix 5 angeordnet sind. Die zusätzlichen
wärmeleitfähigen Elemente 20 zeigen keine
vorgegebene Vorzugsrichtung und sind somit vorzugsrichtungslos.
Die wärmeleitfähige Schicht 1 umfasst
ferner eine Bekeimungsschicht 26. Die Bekeimungsschicht 26 ist
an der zweiten Hauptfläche angeordnet.
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Die
wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 sind
mit der Bekeimungsschicht 26 mechanisch verbunden.
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Mit
Vorteil wird mittels der Partikel 20 bis 24 erzielt,
dass die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 rasterförmig
angeordnet sind. Mittels der Partikel 20 bis 24 kann
erreicht werden, dass die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 jeweils
eine Vorzugsrichtung aufweisen, welche näherungsweise senkrecht
zur ersten Hauptfläche 2 ist. Die zusätzlichen
wärmeleitfähigen Elemente 20 erhöhen
die Wärmeleitfähigkeit der wärmeleitfähigen
Schicht 1 weiter. Darüber hinaus kann mittels
der zusätzlichen wärmeleitfähigen Elemente 20 eine
Quervernetzung zwischen den wärmeleitfähigen Elementen 10 bis 13 und
eine thermische Verbindung der wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 mit der zweite Hauptfläche 3 erzielt
werden. Daher kann die wärmeleitfähige Schicht 1 ein
Netzwerk aufweisen, welches die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 und die zusätzlichen
wärmeleitfähigen Elemente 20 umfasst.
Bevorzugt ist die wärmeleitfähige Schicht 1 zusätzlich
auch elektrisch leitend. Zur elektrischen Leitung der wärmeleitfähigen Schicht 1 tragen
sowohl die elektrisch leitenden wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 wie auch die elektrisch leitende
Matrix 5 bei. Mit Vorteil wird mittels der wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13, der zusätzlichen
wärmeleitfähigen Elemente 20 und der
Matrix 5 eine hohe Wärmeleitfähigkeit
der wärmeleitfähigen Schicht 1 zwischen
der zweiten Hauptfläche 2 und der dritten Hauptfläche 3 erzielt.
Die wärmeleitfähige Schicht 1 stellt
somit ein hoch wärmeleitfähiges Komposit-Material
dar. Aufgrund der Vorzugsrichtung der wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 ist die thermische Leitfähigkeit
der wärmeleitfähigen Schicht 1 in Richtung
der Wärmeflussrichtung P am höchsten.
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1C zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform einer wärmeleitfähigen
Schicht nach dem vorgeschlagenen Prinzip. In 1C ist
ein Querschnitt an der Linie A der wärmeleitfähigen
Schicht 1 gemäß 1A und
gemäß 1B dargestellt.
Im Querschnitt der wärmeleitfähigen Schicht 1 sind
die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 gezeigt.
Die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 weisen
einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 umfassen
die Oberflächenbeschichtung 14. Die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 sind in einer regelmäßigen
Struktur angeordnet. Das Raster der wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 umfasst vier Reihen, die zueinander
versetzt angeordnet sind. Zwischen den wärmeleitfähigen
Elementen 10 bis 13 befindet sich die Matrix 5.
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1D zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform der wärmeleitfähigen
Schicht nach dem vorgeschlagenen Prinzip. In 1D ist
ebenfalls ein Querschnitt der in 1A beziehungsweise 1B gezeigten
wärmeleitfähigen Schicht 1 dargestellt.
Im Unterschied zu 1C weisen die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 einen größeren
Querschnitt auf. Mit Vorteil ist somit der Flächenanteil
der wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 in
dem in 1D gezeigten Querschnitt der
wärmeleitfähigen Schicht 1 verglichen
mit der Ausführungsform gemäß 1C erhöht,
sodass die Wärmeleitfähigkeit der wärmeleitfähigen
Schicht 1 vergrößert ist.
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2 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform eines wärmeleitfähigen
Elementes, welches eine Kohlenstoff-Nanoröhre 16 aufweist.
Die Kohlenstoff-Nanoröhre 16 ist zylinderförmig
ausgebildet. Sie weist eine wabenartige Struktur mit Sechsecken
auf, wobei Kohlenstoff-Atome C an den Ecken der Sechsecke angeordnet
sind. Jedes Kohlenstoff-Atom C weist jeweils drei Bindungspartner
auf. Die Kohlenstoff-Nanoröhre 16 ist als single-walled
carbon nano tube realisiert. Das wärmeleitfähige
Element 10 weist darüber hinaus eine Oberflächenbeschichtung 14 auf.
Die Oberflächenbeschichtung 14 umfasst Siliziumcarbid
SiC. Mit Vorteil wird mittels der Oberflächenbeschichtung 14 eine
gute Haftung der Matrix 5 auf der Kohlenstoff-Nanoröhre 16 realisiert.
Darüber hinaus wird mit Vorteil mittels der Oberflächenbeschichtung 14 ein
chemischer Angriff der Matrix 5 auf die Kohlenstoff-Nanoröhre 16 vermieden.
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3A bis 3G zeigen
ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer wärmeleitfähigen Schicht
nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Gemäß dem in 3A gezeigten
Querschnitt wird ein Träger 60 bereitgestellt.
Auf den Träger 60 wird gemäß den in
den folgenden Figuren gezeigten Schritten die wärmeleitfähige
Schicht 1 abgeschieden. Eine Oberfläche des Trägers 60 bildet
somit die erste Hauptfläche 2 der wärmeleitfähigen
Schicht 1. Auf die Oberfläche des Trägers 60 und
damit auf die erste Hauptfläche 2 wird eine Bekeimungsschicht 26 abgeschieden.
Die Bekeimungsschicht 26 umfasst eine Schicht aus katalytisch
wirkenden Metallpartikeln. Die Bekeimungsschicht 26 wirkt
für das Aufwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhre 16 katalytisch.
Die Bekeimungsschicht 36 umfasst beispielsweise Nickel,
Eisen, Yttrium, Kobalt und/oder Platin.
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3B zeigt
einen Querschnitt nach dem Aufbringen einer Maske 27 auf
der Bekeimungsschicht 26. Die Maske 27 umfasst
die Partikel 20 bis 24. Die Partikel 20 bis 24 sind
als Polymerkugeln realisiert. Zwischen den Partikeln 20 bis 24 befinden
sich Freibereiche 28. Die Anordnung der Partikel 20 bis 24 als
Monolage auf der Bekeimungsschicht 26 wird durch ein Herausziehen
des Trägers 60 mit der Bekeimungsschicht 26 aus
einer Lösung, welche die Partikel umfasst, erzielt. Ein
Durchmesser eines Partikels kann in einer beispielhaften Ausführungsform 100 nm
betragen.
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3C zeigt
die Anordnung gemäß 3B in
Aufsicht. In 3C ist somit die Maske 27,
umfassend die Partikel 20 bis 24, und die Bekeimungsschicht 26 in
den Freibereichen zwischen den Partikeln 20 bis 24 zu
sehen.
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3D zeigt
eine alternative Anordnung der Partikel 20 bis 24,
welche von der Maske 27 umfasst sind. Auch hier sind zwischen
den Partikeln 20 bis 24 Freibereiche 28 vorhanden,
in denen die Bekeimungsschicht 26 nicht von den Partikeln 20 bis 24 abgedeckt
ist.
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3E zeigt
die wärmeleitfähige Schicht 1 im Querschnitt
nach dem Aufwachsen der wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13.
Das Aufwachsen beginnt an der Bekeimungsschicht 26 in den
Freibereichen 28. Die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 sind somit mit der Bekeimungsschicht 26 und
damit mit der ersten Hauptfläche 2 verbunden.
Die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 sind
als Kohlenstoff-Nanoröhren 16 ausgebildet. Das
Aufwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren 16 geschieht
an den Freibereichen 28 auf der katalytisch wirksamen Bekeimungsschicht 26.
Zum Aufwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren 16 wird
ein PECVD-Verfahren eingesetzt. Am Ende der wärmeleitfähigen
Körper 10 bis 13, welches der ersten
Hauptfläche 2 gegenüberliegt, befindet
sich die zweite Hauptfläche 3. Eine Länge
der wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 bestimmt
somit die Dicke D' der wärmeleitfähigen Schicht 1.
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3F zeigt
den Querschnitt der wärmeleitfähigen Schicht 1 nach
dem Entfernen der Partikel 20 bis 24. Das Entfernen
der Partikel 20 bis 24, welche als Polymerkugeln
ausgebildet sind, erfolgt mittels Aufschmelzen. Da die Kohlenstoff-Nanoröhren 16 eine
hohe Temperaturstabilität aufweisen, können mit
Vorteil die Partikel 20 bis 24 einfach mittels
eines Temperaturschrittes entfernt werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform sind die Partikel 20 bis 24 aus
Siliziumdioxid hergestellt. Die Partikel 20 bis 24 sind
somit Glaskugeln. Mit Vorteil können somit durch Eintauchen
der in 3E gezeigten Struktur in einer Ätzlösung
die Partikel 20 bis 24 entfernt werden. Die Ätzlösung
umfasst bevorzugt Ammoniumfluorid HF.
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3G zeigt
die wärmeleitfähige Schicht 1 nach dem
Aufbringen der Matrix 5. Die Matrix 5 füllt die
Zwischenräume zwischen den wärmeleitfähigen Elementen 10 bis 13 auf.
Entsprechend der Materialmenge der Matrix 5 ist eine Dicke
D der wärmeleitfähigen Schicht 1 größer
als die Dicke D' der wärmeleitfähigen Schicht 1 vor
dem Aufbringen der Matrix 5. Die Matrix 5 umfasst
Aluminium. Das Aluminium wird in flüssiger Form auf die
wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13,
die Bekeimungsschicht und den Träger 60 aufgebracht.
Mit Vorteil weisen die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 eine
hohe Temperaturbeständigkeit auf.
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Anschließend
kann in einem nicht gezeigten Verfahrensschritt der Träger 60 entfernt
werden. Die wärmeleitfähige Schicht 1 liegt
somit als trägerloser Film vor. Zusätzlich kann
ebenfalls die Bekeimungsschicht 26 entfernt werden. Eine
derartige wärmeleitfähige Schicht 1 ist
in den 1A, 1C und 1D gezeigt.
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In
einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens umfassen
die Partikel 20 bis 24 die Oberflächenbeschichtung 25.
Die Partikel 20 bis 24 können die Oberflächenbeschichtung 25 bereits
vor dem Aufbringen der Partikel 20 bis 24 auf
die Bekeimungsschicht 26 aufweisen. Alternativ wird die
Oberflächenbeschichtung 25 auf die Partikel 20 bis 24 nach
dem Aufbringen der Partikel 20 bis 24 auf die Bekeimungsschicht 26 abgeschieden.
Das Abscheiden erfolgt mit einem Sol-Gel-Verfahren. Die mittels des
Abscheideverfahrens aufgebrachte Oberflächenbeschichtung 25 weist
bifunktionale Moleküle auf. Die bifunktionalen Moleküle
sind als Siliziumcarbid SiC ausgebildet. Anschließend wachsen,
wie in 3E gezeigt, die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 auf. Beim Entfernen der Partikel 20 bis 24 gemäß 3F verbleibt
die Oberflächenbeschichtung 25 und dient als Oberflächenbeschichtung 14 der wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13.
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In
einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird
nach dem Aufwachsen der wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 eine
Oberflächenbeschichtung 14 auf die wärmeleitfähigen
Elemente 10 bis 13 abgeschieden. Das Abscheiden
erfolgt mit einem Sol-Gel-Verfahren. Die mittels des Abscheideverfahrens
aufgebrachte Oberflächenbeschichtung 14 weist
bifunktionale Moleküle auf. Die bifunktionalen Moleküle
sind als Siliziumcarbid SiC ausgebildet. Bevorzugt erfolgt das Abscheiden
der Oberflächenbeschichtung 14 nach dem Entfernen
der Partikel 20 bis 24 und vor dem Aufbringen
der Matrix 5. In einer alternativen Ausführungsform
wird die Oberflächenbeschichtung 14 mittels eines
PECVD-Verfahrens auf die wärmeleitfähigen Elemente 10 bis 13 abgeschieden.
Mittels des PECVD-Verfahrens wird eine Siliziumcarbidschicht SiC
als Oberflächenbeschichtung 14 abgeschieden.
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In
einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform des
Verfahrens werden die Partikel 20 bis 24 nicht
entfernt, sondern verbleiben in der wärmeleitfähigen
Schicht 1. Mit Vorteil umfassen die Partikel 20 bis 24 Metall.
Sie sind beispielsweise als Gold-Kugeln realisiert. 1B zeigt
einen Querschnitt einer derart hergestellten wärmeleitenden
Schicht 1.
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In
einem nicht gezeigten alternativen Verfahren umfasst die Matrix 5 beim
Aufbringen die zusätzlichen wärmeleitfähigen
Elemente 20. Die zusätzlichen wärmeleitfähigen
Elemente 20 werden bei dem Aufbringen der Matrix 5 in
die wärmeleitfähige Schicht 1 eingebracht,
so dass sich die in 1B gezeigte wärmeleitende
Schicht 1 ergibt.
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4A zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform einer optoelektronischen
Anordnung mit einer wärmeleitfähigen Schicht.
Die optoelektronische Anordnung weist eine Stapelanordnung 100 auf.
Die Stapelanordnung 100 umfasst einen strahlungsemittierenden
Halbleiterkörper 40 und die wärmeleitfähige
Schicht 1 gemäß einer der in den 1A bis 1D gezeigten
Ausführungsformen. Der strahlungsemittierende Halbleiterkörper 40 weist eine
Strahlungsaustrittsseite 41 und eine Unterseite 42 auf,
welche der Strahlungsaustrittsseite 41 gegenüberliegt.
Der strahlungsemittierende Halbleiterkörper 40 umfasst
eine aktive Zone 44. Auf der Strahlungsaustrittsseite 41 ist
eine Elektrode 45 angeordnet. Die Unterseite 42 ist
mit der wärmeleitfähigen Schicht 1 verbunden.
Die wärmeleitfähige Schicht 1 ist direkt
und unmittelbar an der Unterseite 42 angeordnet. Die Bekeimungsschicht 26 der
wärmeleitfähigen Schicht 1 ist in unmittelbarem
Kontakt mit der Unterseite 42. Die Stapelanordnung 100 umfasst darüber
hinaus eine Wärmesen ke 50. Die Wärmesenke 50 ist über
eine Verbindungsschicht 51 mit der wärmeleitfähigen
Schicht 1 verbunden. Auf der Wärmesenke 50 ist
ein Kontaktanschluss 53 angeordnet, der mit der Verbindungsschicht 51 verbunden
ist. Die Verbindungsschicht 51 ist als Lotschicht realisiert. Die
wärmeleitfähige Schicht 1 ist elektrisch
leitend ausgebildet. Die wärmeleitfähige Schicht 1 ist
elektrisch leitend mit der Unterseite 42 des strahlungsemittierenden
Halbleiterkörpers 40 verbunden.
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Zum
Betrieb der optoelektronischen Anordnung wird eine Spannung ULED
zwischen der Elektrode 45 und dem Kontaktanschluss 52 angelegt.
Es ist ein Stromfluss zwischen der Elektrode 45 über den
strahlungsemittierenden Halbleiterkörper 40, die wärmeleitfähige
Schicht 1 und die Verbindungsschicht 51 zum Kontaktanschluss 53 möglich.
Die Spannung ULED fällt über der aktiven Zone 44 ab, sodass
von der aktiven Zone 44 elektromagnetische Strahlung bereitgestellt
wird. Eine im strahlungsemittierenden Halbleiterkörper 40 auftretende
Verlustleistung wird über die Unterseite 42 zu
der wärmeleitfähigen Schicht 1 abgeführt.
Die wärmeleitfähige Schicht 1 leitet
die Wärme über die Verbindungsschicht 51 zur
Wärmesenke 50.
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Mit
Vorteil ist die Unterseite 42 des strahlungsemittierenden
Halbleiterkörpers 40 mit einer Schicht verbunden,
die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Somit
wird eine Übertemperatur der aktiven Zone 44 vermieden
und eine Lebensdauer des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers 40 erhöht.
In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens ist die
Unterseite 42 als Träger 60 zur Herstellung
der wärmeleitfähigen Schicht 1 vorgesehen.
Somit wird mit Vorteil die wärmeleitfähige Schicht 1 unmittelbar auf
den strahlungsemittierenden Halbleiterkörper 40 aufgebracht.
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In
einer alternativen Ausführungsform ist die zweite Hauptfläche 3 mit
der Unterseite 42 und die erste Hauptfläche 2 mit
der Wärmesenke 50 verbunden.
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In
einer alternativen Ausführungsform umfasst die Verbindungsschicht 51 einen
Kleber. Der Kleber weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit
auf, sodass eine gute Wärmeableitung von der wärmeleitfähigen
Schicht 1 zur Wärmesenke 50 ermöglicht
ist. Ferner kann der Kleber eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen,
um einen Stromfluss von der wärmeleitfähigen Schicht 1 zum
Kontaktanschluss 53 zu erzielen.
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4B zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform einer optoelektronischen
Anordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die eine Weiterentwicklung
der in 4A gezeigten optoelektronischen Anordnung
ist. In der Stapelanordnung 100 gemäß 4B ist
der strahlungsemittierende Halbleiterkörper 40 über
eine Zwischenschicht 52 mit der wärmeleitfähigen
Schicht 1 verbunden. Die Zwischenschicht 52 ist
als Lot ausgebildet.
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Somit
ist ein Fluss eines elektrischen Stroms von der Elektrode 45 über
den strahlungsemittierenden Halbleiterkörper 40,
die Zwischenschicht 52, die wärmeleitfähige
Schicht 1 und die Verbindungsschicht 51 zum Kontaktanschluss 53 möglich.
Die im Betrieb im strahlungsemittierenden Halbleiterköper 40 anfallende
Verlustwärme kann über die Unterseite 42,
die Zwischenschicht 52, die wärmeleitfähige Schicht 1 und
die Verbindungsschicht 51 zur Wärmesenke 50 abgeführt
werden.
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Mit
Vorteil kann der Herstellungsprozess der wärmeleitfähigen
Schicht 1 getrennt von dem Herstellungsprozess des strahlungsemittierenden
Halbleiterkörpers 40 durchgeführt werden.
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Die
wärmeleitfähige Schicht 1 wird nach ihrer Herstellung
mittels der Zwischenschicht 52 mit dem strahlungsemittierenden
Halbleiterkörper 40 und mittels der Verbindungsschicht 51 mit
der Wärmesenke 50 verbunden. Somit ist eine hohe
Flexibilität bei der Herstellung der wärmeleitfähigen
Schicht 1 und des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers 40 gegeben.
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4C zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer optoelektronischen
Anordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die eine Weiterbildung
der in den 4A und 4B gezeigten
optoelektronischen Anordnung ist. Gemäß 4C umfasst
die Stapelanordnung 100 einen Trägerkörper 54,
der zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper 40 und
der wärmeleitfähigen Schicht 1 angeordnet
ist. Die Unterseite 42 ist über eine zusätzliche
Verbindungsschicht 55 mit dem Trägerkörper 54 verbunden.
Der Trägerkörper 54 ist wiederum über
die Zwischenschicht 52 mit der wärmeleitfähigen
Schicht 1 verbunden. Die Verbindungsschicht 51 dient
zur thermischen Verbindung der wärmeleitfähigen
Schicht 1 mit der Wärmesenke 50. Die
zusätzliche Verbindungsschicht 55 weist einen
elektrisch leitenden Kleber auf. Auf dem Trägerkörper 54 ist
ein weiterer Kontaktanschluss 56 angeordnet, der mit der
zusätzlichen Verbindungsschicht 55 elektrisch leitend
verbunden ist.
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Durch
Anlegen der Spannung ULED an die Elektrode 45 wird ein
Stromfluss von der Elektrode 45 über den strahlungsemittierenden
Halbleiterkörper 40 und die zusätzliche
Verbindungsschicht 55 zum zusätzlichen Kontaktanschluss 56 erzielt.
Aufgrund der über der aktiven Zone 44 anliegenden Spannung
wird von der aktiven Zone 44 Strahlung emittiert. Die bei
der Strahlungsemission im strahlungsemittierenden Halbleiterkörper 40 auftretende Verlustleistung
wird über die zusätzliche Verbindungsschicht 55,
den Trägerkörper 54, die Zwischenschicht 52,
die wärmeleitfähige Schicht 1 und die
Verbindungsschicht 51 zu der Wärmesenke 50 abgeleitet.
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Mit
Vorteil wird als Trägerkörper 54 ein
Körper mit einem Material gewählt, das einen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist, welcher näherungsweise dem Ausdehnungskoeffizienten
des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers 40 entspricht.
Damit wird erreicht, dass ein mechanischer Stress zwischen dem strahlungsemittierenden
Halbleiterkörper 40 und dem Trägerkörper 54 auch
bei wechselnden Temperaturen gering gehalten werden kann. Der Trägerkörper 54 dient
mit Vorteil der elektrischen Verbindung des strahlungsemittierenden
Halbleiterkörpers 40 mit weiteren Bauelementen.
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In
einer alternativen Ausführungsform weist die zusätzliche
Verbindungsschicht 55 eine Lot- oder eine Metallschicht
auf.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie
jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination
von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch
wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit
in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10327530
A1 [0003]
- - DE 10006964 A1 [0004]
- - US 7108841 B2 [0005]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - I. Schnitzer
et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 [0032]