DE102009004724A1

DE102009004724A1 - Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauteils und optoelektronisches Bauteil

Info

Publication number: DE102009004724A1
Application number: DE102009004724A
Authority: DE
Inventors: Patrick Ninz; Herbert Brunner
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-07-22
Also published as: US8450847B2; US20110285017A1; WO2010081445A1; EP2377172A1; CN102282686A; JP2012515441A; KR20110118765A

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauteils umfasst dieses die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Trägers, - Aufbringen mindestens einer ersten Metallschicht auf dem Träger, - Bereitstellen zumindest einer optischen Komponente, - Aufbringen mindestens einer zweiten Metallschicht auf der zumindest einen optischen Komponente, und - mechanisches Verbinden des Trägers mit der zumindest einen optischen Komponente über die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Metallschicht.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauteils angegeben. Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Bauteil angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine optische Komponente effizient an einem Träger angebracht wird. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Bauteil anzugeben, bei dem eine optische Komponente dauerhaft an einem Träger angebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet dieses den Schritt des Bereitstellens eines Trägers. Der Träger ist dazu eingerichtet, dass darauf wenigstens ein optoelektronischer Halbleiterchip angebracht werden kann. Bevorzugt weist der Träger eine hohe thermische Leitfähigkeit von mindestens 40 W/(mK), insbesondere von mindestens 110 W/(mK) auf. Bei dem Träger kann es sich um eine Leiterplatte, um ein Printed Circuit Board, kurz PCB, um eine Keramik oder um ein Halbleitermaterial handeln. Der Träger kann elektrische Leiterbahnen umfassen, die in, auf oder an einem Substratmaterial des Trägers angebracht sein können. Die Leiterbahnen können etwa zu einer elektrischen Ansteuerung des wenigstens einen optoelektronischen Halbleiterchips dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet dieses den Schritt des Aufbringens mindestens einer ersten Metallschicht auf dem Träger. Die erste Metallschicht ist dazu eingerichtet, eine mechanische Verbindung zwischen dem Träger und einer optischen Komponente zu vermitteln. Die erste Metallschicht dient insbesondere nicht zu einer elektrischen Kontaktierung oder elektrischen Beschaltung des mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchips. Die erste Metallschicht ist bevorzugt elektrisch vom optoelektronischen Halbleiterchip isoliert. Das Aufbringen der ersten Metallschicht kann über einen photolithographischen Prozess, über ein Aufdampfen und/oder ein elektrogalvanisches Verfahren erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet dieses den Schritt des Bereitstellens zumindest einer optischen Komponente. Bei der optischen Komponente kann es sich um eine Linse, einen Filter, eine Streuplatte oder ein Abdeckfenster handeln. Die optische Komponente ist, mindestens stellenweise, durchlässig oder teildurchlässig für eine vom Halbleiterchip zu empfangende oder zu emittierende elektromagnetische Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet dieses den Schritt des Aufbringens mindestens einer zweiten Metallschicht auf der zumindest einen optischen Komponente. Wie auch die erste Metallschicht ist die zweite Metallschicht dazu eingerichtet, eine mechanische Verbindung zwischen optischer Komponente und Träger herzustellen. Das Aufbringen der zweiten Metallschicht kann analog zum Aufbringen der ersten Metallschicht erfolgen.
Die erste und/oder die zweite Metallschicht können auch als Metallschichtenfolge gestaltet sein. Beispielsweise umfassen die erste und/oder die zweite Metallschicht Unterschichten aus Chrom und Gold oder Unterschichten aus Nickel, Palladium und Gold.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet dieses den Schritt des mechanischen Verbindens des Trägers mit der zumindest einen optischen Komponente. Dieses mechanische Verbinden erfolgt über die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Metallschicht und beinhaltet ein Reibschweißen. Das Reibschweißen wird insbesondere über Ultraschall bewerkstelligt. Beim Verbinden werden die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Metallschicht zumindest mittelbar miteinander verbunden. Mit anderen Worten bildet sich beispielsweise direkt zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht eine Reibschweißnaht aus. Ebenso ist es möglich, dass wenigstens eine Zwischenschicht zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht angeordnet ist und über diese mindestens eine Zwischenschicht die erste und die zweite Metallschicht indirekt miteinander mechanisch fest verbunden sind. In jedem Fall weist wenigstens die erste oder die zweite Metallschicht einen direkten Kontakt zur Reibschweißnaht auf. Auch ist es möglich, dass die Metallschichten die Reibschweißnaht vollständig oder zum Teil umfassen.
In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauteils umfasst dieses die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines Trägers,
– Aufbringen mindestens einer ersten Metallschicht auf dem Träger,
– Bereitstellen zumindest einer optischen Komponente,
– Aufbringen mindestens einer zweiten Metallschicht auf der zumindest einen optischen Komponente, und
– mechanisches Verbinden des Trägers mit der zumindest einen optischen Komponente über die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Metallschicht.

Das Verbinden beinhaltet ein Reibschweißen.
Beim mechanischen Verbinden von Träger und optischer Komponente über die Metallschichten erfolgt hierbei kein Aufschmelzen eines Verbindungsmittels, wie etwa bei einem Löten. Ebenso wenig wird eine flüssige oder zähflüssige Phase, zum Beispiel ein Klebstoff, eingesetzt. Hierdurch lässt sich vermeiden, dass das Verbindungsmittel in flüssigem oder zähflüssigem Zustand sich ausbreitet beziehungsweise über Bereiche des Trägers oder der optischen Komponente verläuft.
Beispielsweise bei einem Lot, das während des Verbindens verflüssigt wird, besteht die Gefahr, dass das Lot Leiterbahnen benetzt und zu Kurzschlüssen auf dem Träger führen kann oder dass die optische Komponente verschmutzt wird. Bei Klebstoffen ist beispielsweise eine Spaltgängigkeit, also ein Vermögen des Klebstoffs in Ritzen oder Spalten zu kriechen beziehungsweise zu fließen, oder ein Fließverhalten schwierig reproduzierbar zu gewährleisten. Daher kann eine Eingrenzung etwa des Klebstoffs, so lange dieser in einer flüssigen oder zähflüssigen Phase vorliegt, mit aufwändigen Gestaltungen, beispielsweise des Trägers, verbunden sein. Solche Gestaltungen können physikalische Barrieren darstellen, über die der flüssige Klebstoff nicht gelangen kann. Durch ein Verlaufen des Klebstoffs können beispielsweise Leiterbahnen oder Lötflächen kontaminiert werden. Hierdurch ist eine, nach dem Klebevorgang durchzuführende, aufwändige Reinigung beispielsweise des Trägers vonnöten.
Beim Reibschweißen werden sich in festem Aggregatszustand befindliche Metallschichten miteinander verbunden. Es erfolgt also keine vollständige oder überwiegende Verflüssigung der miteinander zu verbindenden Teile. Die räumliche Ausdehnung der Verbindungsstellen ist damit klar definierbar. Außerdem ist beim Reibschweißen die Verbindungsfläche durch Metalle gegeben. Im Gegensatz insbesondere zu organische Materialien enthaltenden Klebstoffen ist diese Art der Verbindung besonders beständig gegen aggressive Medien wie beispielsweise Reinigungsmittel oder Salzwasser. Außerdem sind Metalle, im Gegensatz beispielsweise zu Polymeren, beständig gegen Lichteinwirkung und erhöhte Temperaturen, wie sie im Betrieb des herzustellenden optoelektronischen Bauteils auftreten können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird beim Verbinden von Träger und optischer Komponente der Träger auf eine Temperatur zwischen einschließlich 0°C und 200°C, insbesondere zwischen einschließlich 130°C und 170°C erhitzt. Das Verbinden erfolgt also bei vergleichsweise moderaten Temperaturen, so dass keine große thermische Belastung etwa für den optoelektronischen Halbleiterchip auftritt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der zumindest eine optoelektronische Halbleiterchip vor dem Verbinden von Träger und optischer Komponente auf dem Träger aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die optische Komponente beim Verbinden mit dem Träger an diesen mit einer Anpresskraft zwischen einschließlich 1 N und 90 N, insbesondere zwischen einschließlich 30 N und 50 N angedrückt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt eine Einspeisung der Ultraschallleistung für das Reibschweißen ausschließlich über die optische Komponente. Mit anderen Worten wird kein Ultraschall über den Träger zur ersten und/oder zweiten Metallschicht geführt. Dies senkt die mechanischen Belastungen für den optoelektronischen Halbleiterchip während des Verbindens. Insbesondere Mikrorisse, die zu einer Verringerung der Lebensdauer des optoelektronischen Halbleiterchips führen können, sind hierdurch reduzierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt eine Frequenz des Ultraschalls zwischen einschließlich 40 kHz und 100 kHz, insbesondere zwischen 55 kHz und 65 kHz.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Ultraschallleistung, die beim Verbinden von Träger und optischer Komponente eingespeist wird, zwischen einschließlich 0,1 W und 2,0 W, insbesondere zwischen 0,5 W und 0,7 W.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Ultraschallleistung für eine Zeitdauer zwischen einschließlich 0,2 s und 2,0 s, insbesondere zwischen einschließlich 0,5 s und 1,0 s angelegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf die mindestens eine erste und/oder auf die mindestens eine zweite Metallschicht photolithographisch und/oder mit einem Drahtbonder mindestens ein Verbindungspodest, englisch Connecting Bump, aufgebracht. Das Verbindungspodest kann punktartig oder linienartig gestaltet sein. Eine Dicke des Verbindungspodests übersteigt eine Dicke der ersten und der zweiten Metallschicht bevorzugt um mindestens einen Faktor drei, bevorzugt um mindestens einen Faktor fünf. Bei dem mindestens einen Verbindungspodest handelt es sich beispielsweise um einen Abstandhalter, die einen Abstand zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht definiert. Insbesondere ist das Verbindungspodest keine Lötkugel oder Lötpad, die beziehungsweise das beim Verbinden von Träger und optischer Komponente überwiegend oder vollständig aufgeschmolzen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die erste und die zweite Metallschicht und, sofern vorhanden, das Verbindungspodest sowie die Reibschweißnaht frei von einem Verbindungsmittel. Mit anderen Worten umfassen Metallschichten, Verbindungspodest und Reibschweißnaht insbesondere kein Lot und keinen organischen Klebstoff.
Es wird darüber hinaus ein optoelektronisches Bauteil angegeben. Das optoelektronische Bauteil kann mittels eines der vorgenannten Ausführungsformen des Verfahrens hergestellt sein. Das optoelektronische Bauteil kann mindestens ein Merkmal aufweisen, wie es in Verbindung mit dem Verfahren angegeben ist. Ebenso ist es möglich, dass das oben beschriebene Verfahren Merkmale aufweist, wie sie in Zusammenhang mit Ausführungsformen des optoelektronischen Bauteils nachstehend beschrieben sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst dieses einen Träger. Der Träger weist eine Hauptseite auf, auf der wenigstens ein optoelektronischer Halbleiterchip angebracht ist. Zum Beispiel ist der Halbleiterchip eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip kann es sich um einen Dünnfilmchip handeln, wie in der Druckschrift WO 2005/081319 A1 oder in der Druckschrift DE 10 2007 004304 A1 angegeben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften hinsichtlich des dort beschriebenen Halbleiterchips sowie des dort beschriebenen Herstellungsverfahrens wird hiermit durch Rückbezug mit aufgenommen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist die erste Metallschicht auf der Hauptseite des Trägers angebracht. Die erste Metallschicht bedeckt hierbei bevorzugt höchstens 30%, insbesondere höchstens 10% der Fläche der Hauptseite des Trägers. Die erste Metallschicht kann punktartig, linienartig und/oder rahmenartig auf die Hauptseite des Trägers aufgebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils befindet sich an der optischen Komponente die zumindest eine zweite Metallschicht. Die zweite Metallschicht ist so auf die optische Komponente aufgebracht, dass sie der Hauptseite des Trägers zugewandt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils befindet sich die Reibschweißnaht zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht oder ist von der ersten und zweiten Metallschicht vollständig oder mindestens zum Teil umfasst. Über die Reibschweißnaht ist die optische Komponente mechanisch mit dem Träger verbunden. Ein Flächeninhalt der Reibschweißnaht, parallel zur Hauptseite des Trägers, ist näherungsweise gleich einem Flächeninhalt der ersten und der zweiten Metallschicht. Beispielsweise weichen die Flächeninhalte von erster und zweiter Metallschicht sowie der Reibschweißnaht um weniger als 30%, insbesondere um weniger als 10% voneinander ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils befindet sich die Reibschweißnaht direkt an der mindestens einen ersten und/oder direkt an der mindestens einen zweiten Metallschicht oder ist von diesen vollständig oder teilweise umfasst. Mit anderen Worten ist ein Material der Reibschweißnaht mindestens mit einem Material der Metallschichten gebildet oder besteht aus dem Material der Metallschichten. Die Reibschweißnaht ist hierbei eine Schicht, die eine mechanische Verbindung zwischen den zu verbindenden Teilen herstellt. Im Bereich der Reibschweißnaht kann eine Vermischung der Materialien der zu verbindenden Teile vorliegen. Aufgrund des Ultraschallschweißens kann im Bereich der Reibschweißnaht auch eine mikroskopische Verzahnung der zu verbindenden Materialkomponenten vorliegen. Die Reibschweißnaht weist insbesondere für ein Reibschweißen charakteristische Merkmale auf, die etwa einer elektronenmikroskopischen Untersuchung zugänglich sind. Das heißt, bei der Reibschweißnaht handelt es sich um ein gegenständliches Merkmal, das am fertigen optoelektronischen Bauteil nachweisbar ist.
In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst dieses einen Träger mit wenigstens einem optoelektronischen Halbleiterchip, der auf einer Hauptseite des Trägers aufgebracht ist. Weiterhin weist das optoelektronische Bauteil zumindest eine erste Metallschicht auf der Hauptseite des Trägers auf sowie wenigstens eine optische Komponente. An der optischen Komponente befindet sich zumindest eine zweite Metallschicht, wobei die zumindest eine zweite Metallschicht der Hauptseite des Trägers zugewandt ist. Des Weiteren beinhaltet das optoelektronische Bauteil eine Reibschweißnaht, die sich zwischen der zumindest einen ersten und der zumindest einen zweiten Metallschicht befindet und über die die wenigstens eine optische Komponente mechanisch mit dem Träger verbunden ist. Die Reibschweißnaht befindet sich hierbei direkt an der mindestens einen ersten und/oder an der mindestens einen zweiten Metallschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils befindet sich zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht zumindest ein Verbindungspodest. Das Verbindungspodest kann mit demselben Material wie die Metallschichten gestaltet sein. Ein Flächeninhalt des Verbindungspodests entspricht bevorzugt höchstens einem Flächeninhalt der ersten und der zweiten Metallschicht, in einer Ebene parallel zur Hauptseite des Trägers. Mit anderen Worten weicht ein Flächeninhalt des Verbindungspodests, bezüglich einer Ebene parallel zur Hauptseite des Trägers, um höchstens 30%, insbesondere um höchstens 20%, bevorzugt um höchstens 10% von dem Flächeninhalt der Metallschichten ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist ein Material der ersten und der zweiten Metallschicht sowie ein Material des Verbindungspodests jeweils entweder Gold oder Aluminium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils sind die erste und die zweite Metallschicht sowie das Verbindungspodest mit einer Gold- oder Aluminiumlegierung gestaltet oder bestehen aus einer solchen. Mit anderen Worten ist ein wesentlicher Materialbestandteil der Metallschichten und des mindestens einen Verbindungspodests Gold oder Aluminium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils beträgt eine Gesamtdicke aus der ersten und aus der zweiten Metallschicht sowie aus dem Verbindungspodest, in einer Richtung senkrecht zur Hauptseite des Trägers, zwischen einschließlich 2 μm und 40 μm. Weist das optoelektronische Bauteil kein Verbindungspodest auf, so liegt eine Gesamtdicke aus erster und zweiter Metallschicht im angegebenen Dickenbereich, die Dicke des Verbindungspodests beträgt dann 0. Durch derartige, vergleichsweise große Gesamtdicken der Metallschichten und des Verbindungspodests kann eine Anpassung unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Träger und der optischen Komponente, insbesondere während des Verbindens von Träger und optischer Komponente, erzielt werden. Die Metallschichten und das Verbindungspodest können also als eine Art Puffer wirken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umschließt die erste Metallschicht den wenigstens einen optoelektronischen Halbleiterchip zumindest stellenweise rahmenartig. Mit anderen Worten ist der optoelektronische Halbleiterchip in der Ebene der Hauptseite des Trägers stellenweise oder vollständig von der ersten Metallschicht umrandet. Die erste Metallschicht kann hierbei eine geschlossene rahmenartige Linie um den Halbleiterchip bilden, beispielsweise in Form eines Rechtecks, eines Ovals oder eines Kreises. Ebenso ist es möglich, dass die erste Metallschicht aus einer Mehrzahl punktartiger Strukturen gebildet ist und dass diese punktartigen Strukturen ähnlich einer Punkt-Linie gestaltet sind, die den optoelektronischen Halbleiterchip umrahmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist die erste Metallschicht in mindestens vier, insbesondere in genau vier Bereichen auf dem Träger aufgetragen. Die bevorzugt kleinflächig beziehungsweise punktartig gestalteten Bereiche befinden sich insbesondere ausschließlich an Ecken eines Montageareals, in dem der optoelektronische Halbleiterchip mit dem Träger verbunden ist. Bevorzugt ist das Montageareal von der optischen Komponente überdacht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils schließen der Träger und die optische Komponente ein Volumen ein, in dem sich der wenigstens eine optoelektronische Halbleiterchip befindet. Es ist hierbei nicht notwendig, dass das Volumen vollständig vom Träger und von der optischen Komponente umschlossen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils befindet sich die optische Komponente nicht in direktem räumlichen Kontakt mit dem Halbleiterchip. Mit anderen Worten berührt kein Material der optischen Komponente ein Material des optoelektronischen Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils befindet sich die optische Komponente nicht in direktem elektrischen Kontakt mit dem optoelektronischen Halbleiterchip. Mit anderen Worten liegt zwischen dem optoelektronischen Halbleiterchip und der optischen Komponente kein elektrischer Kurzschluss vor. Insbesondere kann die optische Komponente vom optoelektronischen Halbleiterchip elektrisch isoliert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist das Volumen gasdicht abgeschlossen. Hierdurch ist das optoelektronische Bauteil insbesondere gegen Feuchtigkeit oder, in einer aggressiven Atmosphäre, gegen Korrosion schätzbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist das Volumen nicht gasdicht abgeschlossen. Beispielsweise umrahmt dann die Reibschweißnaht den optoelektronischen Halbleiterchip nicht vollständig. Hierdurch ist ein Druckausgleich zwischen dem Volumen und einer Umgebung ermöglicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst die optische Komponente einen Rahmen, an dem sich die zweite Metallschicht befindet. Bevorzugt ist der Rahmen mit einem bezüglich der vom optoelektronischen Halbleiterchip zu empfangenden oder zu emittierenden Strahlung undurchlässigen Material gestaltet. Mit anderen Worten ist der Rahmen bevorzugt lichtundurchlässig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils weist die optische Komponente ein optisches Element auf. Das optische Element ist durchlässig, insbesondere transparent, für wenigstens einen Teil der vom optoelektronischen Halbleiterchip zu emittierenden oder zu empfangenden Strahlung. Bei dem optischen Element handelt es sich insbesondere um eine Linse oder um ein Fenster.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils weist das optische Element mindestens zwei, insbesondere genau zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen auf. Bevorzugt ist eine der Hauptflächen dem Träger und/oder dem optoelektronischen Halbleiterchip zugewandt und die zweite Hauptfläche dem optoelektronischen Halbleiterchip sowie dem Träger abgewandt. An beiden, einander gegenüberliegenden Hauptflächen erfolgt eine Lichtbrechung der vom optoelektronischen Halbleiterchip zu emittierenden oder zu empfangenden Strahlung. Mit anderen Worten erfahren die das optische Element durchlaufenden Lichtstrahlen, mit Ausnahme solcher, die senkrecht auf eine der Hauptflächen treffen, an den Hauptflächen eine Ablenkung oder Änderung einer Strahlrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst der Träger eine Keramik oder besteht aus einer solchen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst die optische Komponente Silizium und Glas. Insbesondere ist der Rahmen mit Silizium und das optische Element mit Glas gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist die zweite Metallschicht auf dem Silizium, also insbesondere auf dem Rahmen der optischen Komponente, aufgebracht. Der Rahmen beziehungsweise das Silizium der optischen Komponente umgeben den optoelektronischen Halbleiterchip bevorzugt rahmenartig. Insbesondere ist durch das Silizium der optischen Komponente der optoelektronische Halbleiterchip, in einer Richtung parallel zur Hauptseite des Trägers, vollständig umschlossen.
Einige Anwendungsbereiche, in denen hier beschriebene optoelektronische Bauteile Verwendung finden können, sind etwa die Hinterleuchtungen von Displays oder Anzeigeeinrichtungen. Weiterhin können hier beschriebene optoelektronische Bauteile auch in Beleuchtungseinrichtungen zu Projektionszwecken, in Scheinwerfern oder Lichtstrahlern oder bei der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Bauteil sowie ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauteils,
2 schematische Schnittdarstellungen von weiteren Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Bauteilen, und
3 schematische dreidimensionale Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optischen Komponenten.
In 1 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauteils 1 anhand von Schnittdarstellungen illustriert. Gemäß 1A werden, insbesondere unabhängig voneinander, ein Träger 2 und eine optische Komponente 3 bereitgestellt. Vor dem Verbinden von der optischen Komponente 3 mit dem Träger 2 können also die optische Komponente 3 und der Träger 2 vollständig gefertigt beziehungsweise bestückt sein.
Auf einer Hauptseite 20 des Trägers 2 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip 4, beispielsweise eine Leuchtdiode, angebracht. In einer lateralen Richtung, parallel zur Hauptseite 20, befindet sich der Halbleiterchip 4 zwischen zwei ersten Metallschichten 11, die flächig auf die Hauptseite 20 aufgebracht sind. Die ersten Metallschichten 11 bestehen aus Gold oder einer Goldlegierung. Der Träger 2 ist zum Beispiel ein Printed Circuit Board, kurz PCB, oder eine Keramik.
Die optische Komponente 3 umfasst einen Rahmen 31, der insbesondere mit Silizium gestaltet ist, und ein optisches Element 32. Das optische Element 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Glasplatte, die für eine vom Halbleiterchip 14 zu empfangende oder zu emittierende Strahlung transparent ist. An einer dem Träger 2 zugewandten Seite des Rahmens 31 sind zwei zweite Metallschichten 12 flächig aufgebracht. Eine Fläche der zweiten Metallschichten 12 entspricht, bezüglich einer Ausdehnung parallel zur Hauptseite 20 des Trägers 2, im Rahmen der Herstellungstoleranzen den Flächen der ersten Metallschichten 11.
In den 1B1 und 1B2 ist zu sehen, dass auf die zweiten Metallschichten 12 oder auf die ersten Metallschichten 11 Verbindungspodeste 13 aufgebracht sind. Die Verbindungspodeste 13, die als Abstandhalter wirken, können über einen photolithographischen Prozess oder mit einer Maschine zum Drahtbonden aufgebracht sein. Die Verbindungspodeste 13 weisen, in einer Richtung parallel zur Hauptseite 20, eine etwas geringere Ausdehnung auf als die Metallschichten 11, 12.
In 1C ist das Verbinden der optischen Komponente 3 und des Trägers 2, gestaltet gemäß der 1B1, dargestellt. Der Träger 2 und die optische Komponente 3 werden mit einer Kraft F, symbolisiert durch eine Doppelpfeillinie, aneinander gedrückt. Die Kraft F beträgt zirka 40 N. Über den Träger 2 erfolgt eine Erwärmung der ersten Metallschichten 11. Der Eintrag der Temperatur T ist durch eine einfache Pfeillinie angedeutet. Die Temperatur T beträgt zirka 150°C.
Ein zum Reibschweißen benötigter Ultraschall U wird mit einer Leistung von zirka 0,6 W für eine Dauer von etwa 0,7 s und einer Frequenz von zirka 60 kHz ausschließlich über den Rahmen 31 der optischen Komponente 3 in das optoelektronische Bauteil 1 eingebracht. Der in den Rahmen 31 eingeprägte Ultraschall U ist durch einen nicht ausgefüllten Pfeil symbolisiert. Durch die Kombination aus der Kraft F, der Temperatur T und dem Ultraschall U erfolgt an einer Grenzfläche zwischen den ersten Metallschichten 11 und den Verbindungspodesten 13 über eine Reibschweißnaht 10 eine mechanisch feste und permanente Verbindung. Hierbei ist die Reibschweißnaht 10 durch die Materialien der Verbindungspodeste 10 und der ersten Metallschichten 11 gebildet. Die Reibschweißnaht 10 ist gegen Chemikalien und Fotoschäden widerstandsfähig, so dass eine mechanisch stabile, permanente Verbindung über die Metallschichten 11, 12 und die Verbindungspodeste 13 zwischen der optischen Komponente 3 und den Träger 2 mit dem Halbleiterchip 4 gegeben ist.
Zum Ausgleich thermischer Belastungen insbesondere während des Verbindens und während des Betriebs des optoelektronischen Bauteils 1 beträgt eine Gesamtdicke D aus den Metallschichten 11, 12 und den Verbindungspodesten 13, in eine Richtung senkrecht zur Hauptseite 20 des Trägers 2, zirka 15 μm. Die Gesamtdicke D ist abhängig von einer lateralen Ausdehnung L des optoelektronischen Bauteils 1. Je größer die laterale Ausdehnung L, die insbesondere im Bereich zwischen zirka 3 mm und 50 mm liegt, desto größer ist die Gesamtdicke D zu wählen. Eine Dicke der Metallschichten 11, 12 liegt beispielsweise jeweils zwischen einschließlich 2 μm und 5 μm. Eine Dicke des Verbindungspodests 13 beträgt zum Beispiel zwischen einschließlich 10 μm und 25 μm, bevorzugt zirka 15 μm.
Eine Strahlungsdurchtrittsfläche 41 des Halbleiterchips 4 ist dem optischen Element 32 zugewandt. Das optische Element 32 weist zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen 33a, b auf. Die Hauptfläche 33a ist dem Halbleiterchip 4 abgewandt, die Hauptfläche 33b ist dem Halbleiterchip 4 und dem Träger 2 zugewandt. Die optische Komponente 3 ist elektrisch vom Halbleiterchip 4 isoliert. Ein Volumen 5 ist im Wesentlichen vom Träger 2 und der optischen Komponente 3 eingeschlossen.
Das Ausführungsbeispiel des Bauteils 1 gemäß 2A entspricht im Wesentlichen dem in 1D gezeigten. Am Träger 2 befinden sich jedoch zwei, in einer Richtung senkrecht zur Hauptseite 20 übereinander angebrachte erste Metallschichten 11a, b. Die erste Metallschicht 11a ist beispielsweise mit Chrom gebildet, um eine hohe Haftung der ersten Metallschichten 11a, 11b am Träger 2 zu gewährleisten. Die Metallschicht 11b besteht bevorzugt aus Gold und ist zum Verbinden mittels Reibschweißen eingerichtet. Dementsprechend sind die Metallschichten 12a am Rahmen 31 ebenfalls zum Beispiel mit Chrom gestaltet. Die Metallschichten 12b sind beispielsweise mit Gold oder mit einem anderen Material gestaltet, das eine gute Haftung zu dem Material der Verbindungspodeste 13 aufzeigt. Auch die Verbindungspodeste 13 können mit Gold gestaltet sein.
Alternativ ist es möglich, dass die Metallschichten 12b, 11b sowie die Verbindungspodeste 13 mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder einem anderen zum Reibschweißen geeigneten Material gestaltet sind oder aus einem solchen Material bestehen.
Bei dem als flache Platte gestalteten optischen Element 32 kann es sich um einen Filter, um eine Streuplatte oder um eine transparente Platte handeln. Ebenso ist es möglich, dass das optische Element 32 mit reflektierenden, antireflektierenden oder gezielt in bestimmten Spektralbereichen absorbierenden oder reflektierenden, in 2A nicht gezeichneten Beschichtungen versehen ist.
Ebenso ist es möglich, dass am optischen Element ein Konversionsmittel angebracht ist, das wenigstens einen Teil der vom optoelektronischen Halbleiterchip 4 emittierten Strahlung in eine Strahlung mit einer anderen Frequenz umwandelt. Ein solches Konversionsmittel kann auch dem Material des optischen Elements 32 selbst beigegeben sein.
Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip 4 kann es sich um eine LED, insbesondere um eine transparente Dünnschicht-LED, handeln. Anders als in 2A gezeigt, kann das Bauteil 1 auch mehr als einen Halbleiterchip 4 aufweisen. Auf der Hauptseite 20 des Trägers 2 kann ebenfalls eine bezüglich der vom Halbleiterchip 4 zu erzeugenden oder zu empfangenden Strahlung reflektierende, in 2A nicht gezeichnete Beschichtung aufgetragen sein.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2B ist das optische Element 32 als plankonvexe Sammellinse ausgeformt. Eine Lichtbrechung der vom Halbleiterchip 4 insbesondere erzeugten Strahlung erfolgt an beiden Hauptseiten 33a, b. Anders als in 2B dargestellt, kann das optische Element 32 auch andere Formen, beispielsweise Licht verteilende, konkavlinsenartige Formgebungen, aufweisen. Auch eine Formgebung als Fresnel- oder Zonenlinse ist möglich.
Weiterhin sind beim Ausführungsbeispiel gemäß 2B die Metallschichten 11b, 12b ohne die Verwendung von Verbindungspodesten 13 direkt aneinander gefügt. Die Reibschweißnaht 10 ist somit ausschließlich durch Materialien der Metallschichten 11b, 12b gebildet.
In 3 sind weitere Ausführungsformen der optischen Komponenten 3 gezeigt, wie sie in Verbindung etwa mit den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 eingesetzt werden können. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3A sind an Ecken an der dem in 3 nicht gezeichneten Träger zugewandten Seite des rechteckförmigen Rahmens 31 vier kreisartige zweite Metallisierungen 12 und zylinderartige Verbindungspodeste 13 aufgebracht. Eine mechanische Verbindung zwischen optischer Komponente 3 an dem nicht gezeichneten Träger 2 erfolgt also über vier vergleichsweise kleine, punktartige Bereiche an den Ecken des Rahmens 31.
Gemäß 3B bildet die zweite Metallisierung 12 einer umlaufenden, geschlossenen Bahn an der dem nicht gezeichneten Träger 2 zugewandten Seite des Rahmens 31. Hierdurch ist es möglich, dass das Volumen 5 vom Träger 2 und von der optischen Komponente 3 gasdicht abgeschlossen und der Halbleiterchip 4 verkapselt wird. Optional ist es ebenfalls möglich, dass auf der zweiten Metallschicht 12 eine durchgehende, geschlossene Bahn des Verbindungspodests 13 aufgebracht wird.
Die hier beschriebene 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 Patentliteratur

- WO 2005/081319 A1 [0024]
- DE 102007004304 A1 [0024]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauteils (1) mit den Schritten: – Bereitstellen eines Trägers (2), – Aufbringen mindestens einer ersten Metallschicht (11) auf dem Träger (1), – Bereitstellen zumindest einer optischen Komponente (3) – Aufbringen mindestens einer zweiten Metallschicht (12) auf der zumindest einen optischen Komponente (3), und – mechanisches Verbinden des Trägers (2) mit der zumindest einen optischen Komponente (3) über die mindestens eine erste (11) und die mindestens eine zweite Metallschicht (12), wobei das Verbinden ein Reibschweißen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Träger (2) beim Verbinden auf eine Temperatur zwischen einschließlich 130°C und 170°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Komponente (3) beim Verbinden mit einer Anpresskraft zwischen einschließlich 30 N und 50 N auf den Träger (2) gedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ultraschallleistung beim Verbinden ausschließlich in die optische Komponente (3) eingespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallleistung, die beim Verbinden eingespeist wird, zwischen einschließlich 0,1 W und 2,0 W beträgt und für eine Zeitdauer zwischen einschließlich 0,2 s und 2,0 s angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf die erste (11) und/oder auf die zweite Metallschicht (12) photolithographisch oder mit einem Drahtbonder mindestens ein Verbindungspodest (13) aufgebracht wird.
Optoelektronisches Bauteil (1) mit – einem Träger (2) mit wenigstens einem optoelektronischen Halbleiterchip (4) auf einer Hauptseite (20) des Trägers (2), – zumindest einer ersten Metallschicht (11) auf der Hauptseite (20) des Trägers (2), – wenigstens einer optischen Komponente (3) mit zumindest einer zweiten Metallschicht (12), wobei die zumindest eine zweite Metallschicht (12) der Hauptseite (20) des Trägers (2) zugewandt ist, und – wenigstens einer Reibschweißnaht (10), die sich zwischen der zumindest einen ersten (11) und der zumindest einen zweiten Metallschicht (12) befindet und über die die wenigstens eine optische Komponente (3) mechanisch mit dem Träger (2) verbunden ist, wobei die Reibschweißnaht (10) sich direkt an der mindestens einen ersten (11) und/oder an der mindestens einen zweiten Metallschicht (12) befindet.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem sich zwischen der ersten (11) und der zweiten Metallschicht (12) zumindest ein Verbindungspodest (13) befindet.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach Anspruch 7 oder 8, bei dem ein Material der ersten (11) und der zweiten Metallschicht (12) und ein Material des Verbindungspodests (13) jeweils entweder Gold oder Aluminium ist.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem eine Gesamtdicke (D) aus der ersten (11) und aus der zweiten Metallschicht (12) und aus dem Verbindungspodest (13), in einer Richtung senkrecht zur Hauptseite (20) des Trägers (2), zwischen einschließlich 2 μm und 40 μm beträgt.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die erste Metallschicht (11) den optoelektronischen Halbleiterchip (4) wenigstens stellenweise rahmenartig umschließt.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Träger (2) und die optische Komponente (3) ein Volumen (5) einschließen, in dem sich der optoelektronische Halbleiterchip (4) befindet, und bei dem die optische Komponente (3) sich nicht in direktem räumlichen und nicht in direktem elektrischen Kontakt mit dem optoelektronischen Halbleiterchip (4) befindet.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Volumen (5) gasdicht abgeschlossen ist.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem die optische Komponente (3) einen Strahlung undurchlässigen Rahmen (31) umfasst, an dem sich die zweite Metallschicht (12) befindet, wobei an einer dem Träger (2) abgewandten Seite des Rahmens (31) ein Strahlung durchlässiges optisches Element (32) angebracht ist, und das optische Element (32) zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen (33) aufweist, an denen eine Lichtbrechung erfolgt.
Optoelektronisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem – der Träger (2) eine Keramik umfasst, – die optische Komponente (3) Silizium und Glas umfasst, – die zweite Metallschicht (12) auf dem Silizium der optischen Komponente (3) aufgebracht ist, und – das Silizium der optischen Komponente (3) den optoelektronischen Halbleiterchip (4) rahmenartig umgibt.