DE102008054235A1

DE102008054235A1 - Optoelektronisches Bauteil

Info

Publication number: DE102008054235A1
Application number: DE200810054235
Authority: DE
Inventors: Kurt-Jürgen Lang; Rainer Huber; Hagen Luckner
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-12

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauteil (1) angegeben mit einem Träger (2), der einen Grundkörper (3) und Durchkontaktierungen (10) aufweist, die in dem Grundkörper (3) angeordnet sind, und mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (4), der auf dem Träger (2) angeordnet ist, wobei die Durchkontaktierungen (10) ein thermisch leitendes Material enthalten, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein Grundmaterial des Grundkörpers (3).

Description

Es wird ein optoelektronisches Bauteil angegeben, das insbesondere mehrere Halbleiterchips zur Emission von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise im sichtbaren Spektralbereich, aufweist, die auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.
Bisher werden als Träger hauptsächlich keramische Trägerplatten eingesetzt, die so ausgeführt sind, dass sie beim Kunden auf Leiterplatten aufgelötet werden können. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der keramischen Trägerplatte und der Leiterplatte führen jedoch häufig zu Problemen in der Zykelbeständigkeit.
Daher besteht eine zu lösende Aufgabe vorliegend darin, ein optoelektronisches Bauteil anzugeben, das für eine zykelstabile Verbindung mit einem Schaltungsträger geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauteil gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Bauteils sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauteil einen Träger, der einen Grundkörper und Durchkontaktierungen aufweist, die in dem Grundkörper angeordnet sind, sowie mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip, der auf dem Träger angeordnet ist, wobei die Durchkontaktierungen ein thermisch leitendes Material enthalten, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein Grundmaterial des Grundkörpers.
Das Grundmaterial weist mit Vorteil einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Schaltungsträgers, auf welchem das optoelektronische Bauteil angeordnet werden kann, angepasst ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials spielt hierbei eine untergeordnete Rolle. Denn mittels des in den Durchkontaktierungen enthaltenen thermisch leitenden Materials kann im Träger insgesamt eine gute Wärmeleitung erzielt werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Trägers lässt sich beispielsweise durch die Anzahl der Durchkontaktierungen steigern. Weiterhin kann die Wärmeleitfähigkeit durch eine geeignete Wahl des thermisch leitenden Materials verbessert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich die Durchkontaktierungen quer, das heißt nicht parallel, zu einem Montagebereich des Trägers, auf welchem der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip angeordnet ist. Die Wärmeleitung erfolgt somit ebenfalls quer zum Montagebereich.
Vorteilhafterweise ermöglicht der Aufbau des Trägers aus einem Grundkörper und Durchkontaktierungen, dass die thermischen Eigenschaften des Trägers wie thermischer Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit durch die Wahl verschiedener Materialien für den Grundkörper und die Durchkontaktierungen unabhängig voneinander festgelegt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Grundmaterial des Grundkörpers elektrisch isolierend. Dies erlaubt die Anordnung von elektrischen Leiterbahnen auf dem Grundkörper, ohne dass diese durch den Grundkörper kurz geschlossen würden.
Mit Vorteil enthält das Grundmaterial ein Kunststoffmaterial. Vorzugsweise setzt sich das Grundmaterial aus einer Kunststoffmatrix und Fasergewebe zusammen. Insbesondere weist das Grundmaterial ein Laminat aus Harz und Glasfasergewebe auf. Das Harz kann ein Epoxidharz oder ein Bismaleinimid sein. Derartige Materialien sind unter dem Namen FR4, FR5 oder BT bekannt. Sie zeichnen sich durch eine hohe Kriechstromfestigkeit und eine geringe Wasseraufnahme aus.
Bei einer bevorzugten Variante weist der Grundkörper mehrere Lagen aus dem Grundmaterial auf. Zwischen den Lagen aus Grundmaterial können Lagen aus einem thermisch leitenden Material angeordnet sein. Die Lagen aus thermisch leitendem Material weisen mit Vorteil eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als die Lagen aus Grundmaterial. Mittels der Lagen aus thermisch leitendem Material ist eine laterale Wärmeleitung möglich. Vorzugsweise sind jeweils zwei Lagen aus thermisch leitendem Material mittels mindestens einer Durchkontaktierung miteinander thermisch verbunden. Somit erlaubt der Träger eine dreidimensionale Wärmeleitung.
Weiter bevorzugt ist der Grundkörper aus einem Schichtverbund gebildet, der mindestens zwei Lagen aus thermisch leitendem Material mit jeweils einer dazwischen angeordneten Lage aus Grundmaterial aufweist. Vorzugsweise enthalten die Lagen aus thermisch leitendem Material ein Metall oder eine Metallverbindung. Insbesondere enthalten oder bestehen die thermisch leitenden Lagen aus Kupfer.
Für die Durchkontaktierungen wird mit Vorteil als thermisch leitendes Material ein Metall oder eine Metallverbindung verwendet. Insbesondere enthält oder besteht das thermisch leitende Material aus Kupfer.
Zur Herstellung der Durchkontaktierungen wird der Grundkörper mit Durchbrüchen versehen. In die Durchbrüche wird das thermisch leitende Material eingebracht.
Gemäß einer bevorzugten Variante werden die Durchbrüche jeweils mit dem thermisch leitenden Material ausgekleidet. Die Abscheidung des thermisch leitenden Materials kann beispielsweise galvanisch erfolgen. Infolge weisen die Durchkontaktierungen jeweils einen Randbereich auf, der aus dem thermisch leitenden Material gebildet ist. Ein von dem Randbereich umgebener Innenbereich der Durchkontaktierungen kann insbesondere verfüllt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Trägeroberfläche auch dann eben ist, wenn die Durchkontaktierungen bis zur Trägeroberfläche heranreichen.
Vorzugsweise werden die Innenbereiche mit einem Material verfüllt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des thermisch leitenden Materials im Randbereich angepasst ist. Dadurch kann die Gefahr von Rissbildungen in den Durchkontaktierugen herabgesetzt werden. Geeignete Füllmaterialien sind Metalle, Metallverbindungen oder Kunststoffmaterialien. Beispielsweise können eine Kupferpaste oder ein Epoxidharz als Füllmaterialien verwendet werden.
Ein geringerer Herstellungsaufwand ist nötig, wenn die Innenbereiche nicht mit einem zusätzlichen Material verfüllt werden. Hierbei füllt typischerweise Luft die Innenbereiche aus.
Es ist auch denkbar, die Durchbrüche vollständig mit dem thermisch leitenden Material zu verfüllen, so dass Randbereich und Innenbereich der Durchkontaktierungen das gleiche Material enthalten.
Gemäß einer weiteren Variante wird in die Durchbrüche des Grundkörpers jeweils ein Vollkörper eingesteckt, der aus dem thermisch leitenden Material gebildet ist. Der Vollkörper ist an die Größe des Durchbruchs derart angepasst, dass er diesen nach dem Einstecken vollständig ausfüllt. Beispielsweise kann der Vollkörper Kupfer enthalten oder aus Kupfer bestehen.
Die Durchkontaktierungen sind durchgehend, blind oder vergraben. Eine durchgehende Durchkontaktierug beginnt an einer Oberfläche des Trägers und endet an einer weiteren Oberfläche des Trägers. Eine blinde Durchkontaktierung beginnt innerhalb des Trägers und endet an einer Oberfläche des Trägers. Eine vergrabene Durchkontaktierung reicht an keinem ihrer Enden bis an eine Oberfläche des Trägers heran, sondern ist innerhalb des Trägers angeordnet.
Beispielsweise können mittels einer durchgehenden Durchkontaktierung eine vorderseitige Oberfläche des Trägers und eine rückseitige Oberfläche des Trägers thermisch miteinander verbunden werden. Mittels einer blinden Durchkontaktierung kann eine innenliegende thermisch leitende Schicht mit einer Oberfläche des Trägers thermisch verbunden und damit die Wärme aus dem Grundkörper abgeführt werden. Die vergrabene Durchkontaktierung ermöglicht eine thermisch leitende Verbindung zwischen zwei innenliegenden thermisch leitenden Schichten. Mittels verschiedener Arten von Durchkontaktierungen können somit beliebig komplexe thermische Verbindungen realisiert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des optoelektronischen Bauteils befinden sich die Durchkontaktierugen zumindest teilweise im Montagebereich des Trägers, auf dem der mindestens eine Halbleiterchip angeordnet ist. Vorzugsweise reichen die Durchkontaktierugen zumindest teilweise bis zur Trägeroberfläche heran und stehen in thermischem Kontakt mit dem Halbleiterchip. Somit kann die im Betrieb erzeugte Wärme von den Durchkontaktierungen am Halbleiterchip abgegriffen werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der Träger im Montagebereich mindestens eine Vorderseitenmetallisierung auf. Die Vorderseitenmetallisierung ist insbesondere auf die Trägeroberfläche derart aufgebracht, dass sie die an die Trägeroberfläche heranreichenden Durchkontaktierungen miteinander thermisch verbindet. Vorzugsweise werden die Durchkontaktierungen von der Vorderseitenmetallisierung bedeckt. Besonders bevorzugt weist die Vorderseitenmetallisierung eine der Grundfläche des Halbleiterchips entsprechende Größe auf.
Mit Vorteil ist der mindestens eine Halbleiterchip auf die Vorderseitenmetallisierung aufgebracht. Der Halbleiterchip kann auf die Vorderseitenmetallisierung gelötet oder mittels eines Leitklebers aufgeklebt werden.
Die Vorderseitenmetallisierung kann eine erste Elektrode des Halbleiterchips bilden. Beispielsweise enthält oder besteht die Vorderseitenmetallisierung aus Kupfer.
Die Vorderseitenmetallisierung kann mit einer elektrischen Leiterbahn verbunden sein, die ebenfalls auf der Trägeroberfläche angeordnet ist und von der Vorderseitenmetallisierung bis zu einem Rand des Trägers führt. Im Bereich der elektrischen Leiterbahn reichen vorzugsweise keine Durchkontaktierungen an die Trägeroberfläche heran. Vielmehr ist die Leiterbahn auf das Grundmaterial des Grundkörpers aufgebracht und damit von den Durchkontaktierungen elektrisch isoliert.
Weist das optoelektronische Bauteil mehrere optoelektronische Halbleiterchips auf, so befinden sich mit Vorteil im Bereich jedes Halbleiterchips Durchkontakierungen, die bis an die Trägeroberfläche heranreichen. Vorzugsweise sind die Durchkontaktierungen jeweils von einer Vorderseitenmetallisierung bedeckt, die jeweils der Größe der Grundfläche des Halbleiterchips entspricht. Die verschiedenen Vorderseitenmetallisierungen sind insbesondere voneinander getrennt, so dass keine elektrische Verbindung zwischen den Halbleiterchips besteht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Träger mindestens eine Rückseitenmetallisierung auf. Diese ist auf einer dem mindestens einen Halbleiterchip abgewandten Oberfläche des Trägers angeordnet. Die Rückseitenmetallisierung weist insbesondere eine der Vorderseitenmetallisierung entsprechende Größe und Form auf und ist unterhalb der Vorderseitenmetallisierung angeordnet. Vorzugsweise ist die Vorderseitenmetallisierung mit der Rückseitenmetallisierung durch einen oder mehrere Durchkontaktierungen thermisch verbunden. Ferner können die an die rückseitige Trägeroberfläche heranreichenden Durchkontaktierungen durch die Rückseitenmetallisierung miteinander thermisch verbunden sein. Insbesondere werden die Durchkontaktierungen von der Rückseitenmetallisierung bedeckt.
Weist das optoelektronische Bauteil mehrere optoelektronische Halbleiterchips auf, so befindet sich mit Vorteil im Bereich jedes Halbleiterchips jeweils eine Rückseitenmetallisierung. Die verschiedenen Rückseitenmetallisierungen sind voneinander getrennt, so dass keine elektrische Verbindung zwischen den Halbleiterchips besteht.
Neben der mindestens einen Rückseitenmetallisierung kann das optoelektronische Bauteil elektrische Rückseitenkontakte aufweisen. Vorzugsweise ist jeweils ein elektrischer Rückseitenkontakt mit einer elektrischen Leiterbahn auf der Vorderseite des Trägers verbunden. Die Rückseitenkontakte sind somit zur elektrischen Verbindung des mindestens einen Halbleiterchips vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das optoelektronische Bauteil auf einem Schaltungsträger angeordnet. Eine so gebildete optoelektronische Einheit umfasst ein wie oben beschriebenes optoelektronisches Bauteil und einen Schaltungsträger, auf welchem das optoelektronische Bauteil angeordnet ist, wobei der Träger mit dem Schaltungsträger verbunden ist.
Das optoelektronische Bauteil ist vorteilhafterweise oberflächenmontierbar, das heißt es kann auf den Schaltungsträger montiert und an diesen drahtlos elektrisch angeschlossen werden. Insbesondere wird das optoelektronische Bauteil auf den Schaltungsträger gelötet.
Geeignete Schaltungsträger sind insbesondere Metallkernplatinen (sogenannte MCPCBs) oder IMS (Insulated Metallic Substrate)-Leiterplatten. Diese Schaltungsträger weisen einen metallischen Träger auf, der beispielsweise Aluminium oder Kupfer enthält oder daraus besteht. Auf dem Träger ist ein geeignetes Dielektrikum aufgebracht. Mittels eines derartigen Schaltungsträgers ist eine gute Wärmeableitung aus dem optoelektronischen Bauteil möglich.
Jedoch ist zu berücksichtigen, dass ein Schaltungsträger mit einem metallischen Träger einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen kann. Beispielsweise beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient bei einem Schaltungsträger mit einem Träger aus Aluminium etwa 24·10^–6/K.
Bei Verwendung von FR4 als Grundmaterial kann der vorliegend beschriebene Träger einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 16·10^–6/K aufweisen. Dadurch kann die thermomechanische Spannung gegenüber herkömmlichen Trägerplatten aus Keramik, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa (4 – 7)·10^–6/K aufweisen, vorteilhafterweise verringert und somit die Zuverlässigkeit der Lötverbindung erhöht werden.
Mit Vorteil weist der Schaltungsträger einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der höchstens 10·10^–6/K größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägers. Dadurch kann die thermomechanische Spannung zwischen dem optoelektronischen Bauteil und dem Schaltungsträger vorteilhafterweise verringert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die mindestens eine Rückseitenmetallisierung zwischen dem Grundkörper des Trägers und dem Schaltungsträger angeordnet. Insbesondere steht die Rückseitenmetallisierung in thermischem Kontakt mit dem Schaltungsträger, so dass die im Betrieb des mindestens einen Halbleiterchips im optoelektronischen Bauteil entstehende Verlustwärme über die mindestens eine Rückseitenmetallisierung an den Schaltungsträger abgeführt werden kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den folgenden Erläuterungen in Verbindung mit den 1 bis 5.
Es zeigen:
1 bis 4 verschiedene schematische Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauteils gemäß der Erfindung,
5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauteils gemäß der Erfindung.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauteils 1 gemäß der Erfindung. Das optoelektronische Bauteil 1 umfasst einen Träger 2 und mehrere optoelektronische Halbleiterchips 4, die auf dem Träger 2 angeordnet sind.
Ferner können auf dem Träger 2 Schutzdioden 9 angeordnet sein, wobei jeweils eine Schutzdiode 9 mit einem Halbleiterchip 4 antiparallel verschaltet ist.
Insbesondere emittieren die Halbleiterchips 4 im Betrieb Strahlung, vorzugsweise sichtbares Licht. Die Strahlung emittierenden Halbleiterchips 4 weisen zur Strahlungserzeugung jeweils eine aktive Zone mit einem pn-Übergang auf. Dieser pn-Übergang kann im einfachsten Fall mittels einer p-leitenden und einer n-leitenden Halbleiterschicht gebildet sein, die unmittelbar aneinandergrenzen. Bevorzugt ist zwischen der p-leitenden und der n-leitenden Schicht die eigentliche Strahlung erzeugende Struktur, etwa in Form einer dotierten oder undotierten Quantenstruktur, ausgebildet. Die Quantenstruktur kann als Einfachquantentopfstuktur (SQW, Single Quantum Well) oder Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, Multiple Quantum Well) oder auch als Quantendraht oder Quantenpunktstruktur ausgebildet sein.
Die Halbleiterchips 4 enthalten vorzugsweise ein Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nGa_mIn_1-n-mP oder Al_nGa_mIn_1-n-mN, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist.
Weiterhin sind die Halbleiterchips 4 mit Vorteil in Dünnfilmtechnik hergestellt. Ein Dünnfilmchip zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus:

– 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, d. h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

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.
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.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind für jeden Halbleiterchip 4 zwei elektrische Leiterbahnen 5 vorgesehen, so dass jeder Halbleiterchip 4 separat elektrisch angeschlossen werden kann. Eine der beiden elektrischen Leiterbahnen 5 ist drahtlos, die andere mittels eines Bonddrahtes (nicht dargestellt) mit dem Halbleiterchip 4 verbunden.
Ausgehend von den Halbleiterchips 4 erstrecken sich die Leiterbahnen 5 bis zu einem Rand des Trägers 2. Am Rand weist der Träger 2 metallisierte Einbuchtungen 6 auf, die auf der Vorderseite von einem elektrischen Vorderseitenkontakt 6a umgeben sind. Jede Leiterbahn 5 mündet in einen derartigen Vorderseitenkontakt 6a. Auf der Rückseite sind die metallisierten Einbuchtungen 6 jeweils von einem elektrischen Rückseitenkontakt 6b umgeben (vgl. 4). Mittels der Rückseitenkontakte 6b kann das optoelektronische Bauteil 1 an einen Schaltungsträger drahtlos elektrisch angeschlossen werden.
Die Halbleiterchips 4 sind mit Vorteil von einem Rahmen 7 umgeben, der auf dem Träger 2 angeordnet ist. Insbesondere weist der Rahmen 7 eine den Halbleiterchips 4 zugewandte reflektierende Innenwand auf, so dass die auftreffende Strahlung in eine Hauptabstrahlrichtung, die vorzugsweise senkrecht zur Trägeroberfläche verläuft, umgelenkt werden kann.
Weiterhin kann über die Halbleiterchips 4 und den Rahmen 7 eine Abdeckung 8 gestülpt sein, welche auf dem Träger 2 aufliegt. Somit sind die Halbleiterchips 4 durch die Abdeckung 8 nach außen geschützt. Vorzugsweise ist die Größe der Abdeckung 8 derart bemessen, dass der Träger 2 über den Rand der Abdeckung 8 übersteht. Weiter bevorzugt sind die Vorderseitenkontakte 6a nicht von der Abdeckung 8 bedeckt. Die Abdeckung 8 enthält insbesondere ein strahlungsdurchlässiges Material, so dass die von den Halbleiterchips 4 emittierte Strahlung durch die Abdeckung 8 transmittiert werden kann. Beispielsweise kann die Abdeckung 8 aus Glas gebildet sein.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des optoelektronischen Bauteils 1 aus 1 parallel zur Längsseite des Trägers 2. Wie hierin zu erkennen ist, weist der Träger 2 mehrere Durchkontaktierungen 10 auf. Diese befinden sich in einem Montagebereich des Trägers 2, auf welchem die Halbleiterchips 4 angeordnet sind. Die Durchkontaktierungen 10 erstrecken sich quer zur Trägeroberfläche. Sie sind durchgehend, wobei sie an der vorderseitigen Trägeroberfläche beginnen und an der rückseitigen Trägeroberfläche enden. Mittels der Durchkontaktierungen 10 kann die im Betrieb entstehende Verlustwärme an den Halbleiterchips 4 abgegriffen und aus dem Bauteil 1 abgeführt werden.
Während der Wärmestrom im Wesentlichen in vertikaler Richtung abgeführt wird, fließt der elektrische Strom in lateraler Richtung.
3 zeigt einen Längsschnitt der 1. Die Durchkontaktierungen 10 sind in den Grundkörper 3 eingebettet. Der Grundkörper 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel durchgehend aus einem elektrisch isolierenden Grundmaterial gebildet. Vorzugsweise enthält das Grundmaterial ein Laminat aus Harz und Glasfasergewebe.
Die Durchkontaktierungen 10 weisen jeweils einen Randbereich 10a und einen von dem Randbereich 10a umgebenen Innenbereich 10b auf. Der Randbereich 10a ist aus thermisch leitendem Material gebildet. Der Innenbereich 10b enthält mit Vorteil ein Material, das einen an das thermisch leitende Material angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Insbesondere ist der Randbereich 10a aus einem Metall oder einer Metallverbindung gebildet. Vorzugsweise enthält der Randbereich 10a Kupfer. Der Innenbereich 10b kann beispielsweise mit einer Kupferpaste oder Epoxidharz verfüllt sein.
Zur Herstellung des Trägers 2 wird der Grundkörper 3 mit durchgehenden Durchbrüchen versehen, die beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen. Die Durchbrüche können mittels Laserbohren, mechanischem Bohren, Photostrukturierung oder Plasma-Ätzen erzeugt werden. Auf diese Weise können Durchbrüche mit einem Durchmesser von beispielsweise 150 μm bis 200 μm hergestellt werden. Die Stärke des plattenförmigen Grundkörpers 3 beträgt vorzugsweise etwa 300 μm.
Durch galvanisches Verkupfern und Verfüllen der Durchbrüche mit einem Füllmaterial können die Durchkontaktierungen 10 mit den Randbereichen 10a und den Innenbereichen 10b ausgebildet werden.
Zur besseren thermischen und elektrischen Anbindung der Halbleiterchips 4 sind im Bereich der Halbleiterchips 4 auf die Trägeroberfläche Vorderseitenmetallisierugen 11 aufgebracht, auf welchen die Halbleiterchips 4 angeordnet sind.
Die im Bereich der Vorderseitenmetallisierungen 11 befindlichen Durchkontaktierungen 10 sind durch diese miteinander thermisch verbunden. Hier kann sich die im Betrieb entstehende Verlustwärme voteilhafterweise gleichmäßig verteilen und mittels der Durchkontaktierungen 10 zur Rückseite des Trägers 2 abgeführt werden.
Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils eine elektrische Leiterbahn 5 (vgl. 1) mit einer Vorderseitenmetallisierung 11 direkt verbunden. Die Vorderseitenmetallisierungen 11 dienen zugleich als erste Elektroden der Halbleiterchips 4.
In Übereinstimmung mit den Vorderseitenmetallisierungen 11 sind auf der Rückseite des Trägers 2 Rückseitenmetallisierungen 12 aufgebracht, welche die unterhalb eines Halbleiterchips 4 angeordneten Durchkontaktierungen 10 thermisch miteinander verbinden.
Die Vorderseitenmetallisierungen 11 sowie die Rückseitenmetallisierungen 12 sind voneinander getrennt, so dass die Halbleiterchips 4 getrennt elektrisch anschließbar sind.
Das in 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauteils 1 umfasst mehrere Halbleiterchips 4 und einen Träger 2, auf welchem die Halbleiterchips 4 angeordnet sind. Die Halbleiterchips 4 können zum Schutz beispielsweise in einen Verguss eingebettet werden (nicht dargestellt).
Der Grundkörper 3 des Trägers 2 ist mehrlagig aufgebaut. Er weist drei Lagen 3a aus Grundmaterial und vier Lagen 3b aus einem thermisch leitenden Material auf, wobei jeweils eine Lage 3a zwischen zwei Lagen 3b angeordnet ist. Das thermisch leitende Material ist insbesondere ein Metall oder eine Metallverbindung. Vorzugsweise enthält oder besteht das thermisch leitende Material aus Kupfer oder einer Kupferverbindung.
Obwohl der Grundkörper 3 im Gegensatz zu dem in den 1 bis 4 dargestellten Grundkörper nicht nur eine Lage aufweist, ist er vorzugsweise trotzdem nicht stärker als dieser. Auch seine Stärke beträgt insbesondere nicht mehr als 300 μm. Die einzelnen Lagen 3a, 3b können eine Stärke zwischen 17 μm und 70 μm aufweisen.
Zur Herstellung des Grundkörpers 3 werden jeweils zwei Lagen aus Grundmaterial auf zwei gegenüber liegenden Oberflächen nahezu vollständig mit einem thermisch leitenden Material bedeckt. Lediglich in einem mittleren Bereich sind die Oberflächen frei von thermisch leitendem Material. Dieser Bereich stellt eine Trennzone zwischen den Halbleiterchips 4 dar. Anschließend wird zwischen diesen beiden Lagen eine Lage aus Grundmaterial angeordnet, die frei ist von thermisch leitendem Material. Die drei Lagen werden miteinander verpresst.
Zur Herstellung des Trägers 2 wird der Grundkörper 3 strukturiert. Zum einen wird der Grundkörper 3 mit Durchbrüchen versehen, in welchen anschließend das thermisch leitende Material zur Ausbildung der Durchkontaktierungen 10 angeordnet wird. Zum anderen werden die Vorderseite und Rückseite des Grundkörpers 3 bereichsweise frei gelegt, so dass das thermisch leitende Material nicht mehr die gesamte vorder- und rückseitige Oberfläche bedeckt.
Auf der Vorderseite des Trägers 2 wird das thermisch leitende Material beispielsweise derart strukturiert, dass thermisch leitende Bereiche übrig bleiben, in welchen die Halbleiterchips 4 angeordnet werden, wobei diese Bereiche dann aus einer thermisch leitenden Lage 3b gebildet sind. Weiterhin können aus dem thermisch leitenden Material, das vorzugsweise elektrisch leitend ist, elektrische Leiterbahnen hergestellt werden. Somit können die Lage 3b und die elektrischen Leiterbahnen (nicht dargestellt) aus dem gleichen Material hergestellt werden. Dazwischen ist der Träger 2 elektrisch und thermisch isolierend.
Auf der Rückseite weist der Träger 2 eine nahezu vollständige Bedeckung durch die thermisch leitende Lage 3b auf. Lediglich im mittleren Bereich, das heißt in der Trennzone zwischen den Halbleiterchips 4, ist die Rückseite frei von der thermisch leitenden Lage 3b. Auch die innen liegenden Lagen 3b weisen in der Trennzone eine Unterbrechung auf. Somit sind die Halbleiterchips 4 voneinander thermisch und elektrisch isoliert.
Die thermisch leitenden Lagen 3b sind mittels Durchkontaktierungen 10 miteinander thermisch verbunden. Im Bereich der Halbleiterchips 4 sind die Durchkontaktierungen 10 durchgehend, das heißt sie erstrecken sich von der Vorderseite des Trägers 2 bis zur Rückseite und verlaufen durch alle Lagen 3a, 3b hindurch. In Bereichen, welche die Halbleiterchips 4 umgeben, sind die Durchkontaktierungen 10 blind. Sie beginnen innerhalb des Grundkörpers 3 und enden auf der Rückseite des Trägers 2. Somit besteht keine Gefahr, dass in diesen Bereichen die auf der Vorderseite angeordneten Leiterbahnen mit Durchkontaktierungen in Berührung kommen und miteinander elektrisch verbunden werden könnten.
Der in 5 dargestellte Aufbau des Trägers 2 ermöglicht durch die thermisch leitenden Lagen 3b und die quer dazu verlaufenden Durchkontaktierungen 10 eine dreidimensionale Wärmeleitung.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 [0049]

Claims

Optoelektronisches Bauteil (1) mit – einem Träger (2), der einen Grundkörper (3) und Durchkontaktierungen (10) aufweist, die in dem Grundkörper (3) angeordnet sind, und – mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (4), der auf dem Träger (2) angeordnet ist, wobei die Durchkontaktierungen (10) ein thermisch leitendes Material enthalten, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein Grundmaterial des Grundkörpers (3).
Optoelektronisches Bauteil (1) nach Anspruch 1, wobei das Grundmaterial ein Kunststoffmaterial enthält.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundkörper (3) mehrere Lagen (3a) aus dem Grundmaterial aufweist.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) aus einem Schichtverbund gebildet ist, der mindestens zwei Metall enthaltende Lagen (3b) mit jeweils einer dazwischen liegenden Lage (3a) aus dem Grundmaterial aufweist.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grundmaterial ein Laminat aus Harz und Glasfasergewebe enthält.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach Anspruch 5, wobei das Harz ein Epoxidharz oder ein Bismaleinimid ist.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (2) durchgehende, blinde oder vergrabene Durchkontaktierungen (10) aufweist.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchkontaktierungen (10) ein Metall oder eine Metallverbindung enthalten.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach Anspruch 8, wobei die Durchkontaktierungen (10) Randbereiche (10a) aufweisen, die aus dem thermisch leitenden Material gebildet sind und Innenbereiche (10b) der Durchkontaktierungen (10) umgeben, die ein Metall, eine Metallverbindung, ein Kunststoffmaterial oder Luft enthalten.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Durchkontaktierungen (10) in Durchbrüche des Grundkörpers (3) eingesteckte Vollkörper sind, die aus dem thermisch leitenden Material gebildet sind.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Durchkontaktierungen (10) zumindest teilweise in einem Montagebereich des Trägers (2) befinden, auf dem der mindestens eine Halbleiterchip (4) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Halbleiterchip (4) auf eine Vorderseitenmetallisierung (11) des Trägers (2) aufgebracht ist.
Optoelektronische Einheit mit einem optoelektronischen Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Schaltungsträger, auf welchem das optoelektronische Bauteil (1) angeordnet ist, wobei der Träger (2) mit dem Schaltungsträger verbunden ist.
Optoelektronische Einheit nach Anspruch 13, wobei der Schaltungsträger einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der höchstens 10·10^–6/K größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägers (2).
Optoelektronische Einheit nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Träger (2) auf einer mit dem Schaltungsträger in Kontakt stehenden Oberfläche eine Rückseitenmetallisierung (12) aufweist, welche zumindest mit einem Teil der Durchkontaktierungen (10) direkt verbunden ist.