DE102010003321A1 - Optoelektronisches Bauelement - Google Patents

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Johann Hochmuth
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Abstract

Ein optoelektronisches Bauelement (100) umfasst einen metallischen Leiterrahmen (102). Auf dem Leiterrahmen (102) ist ein Halbleiterchip (104) aufgebracht. Den Halbleiterchip (104) umschließt eine Vergussmasse (106). Zwischen der Vergussmasse (106) und dem Leiterrahmen (102) ist eine Schutzschicht (108) vorgesehen, wobei die Schutzschicht (108) eine geringere Gaspermeabilität als die Vergussmasse (106) aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere betrifft sie ein optoelektronisches Bauelement mit einem Leiterrahmen.
  • Ein Beispiel für ein solches optoelektronisches Bauelement ist eine Lumineszenzdiode, bzw. eine lichtemittierende Diode (LED). Das optoelektronische Bauelement weist einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip auf, der auf einen Leiterrahmen (leadframe) aufgebracht ist. Über den Leiterrahmen ist eine Vergussmasse aufgebracht, die unterschiedlichen Funktionen dienen kann, wie etwa einem Schutz des Halbleiterchips oder einer Streuung bzw. Bündelung von durch den Halbleiterchip emittierter Strahlung.
  • Der Leiterrahmen dient zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung mit dem Halbleiterchip. Er weist in aller Regel ein Metall auf, bspw. ein gut leitendes Metall, wie Kupfer. Der Leiterrahmen ist über eine Zuleitung, wie bspw. einen Bonddraht, mit dem Halbleiterchip elektrisch verbunden. Dabei ist es problematisch, wenn der Leiterrahmen Effekten wie Korrosion ausgesetzt ist. Korrodiert das in dem Leiterrahmen vorhandene Metall, so kann sich eine Verbindungsstelle zu der Zuleitung trennen, bspw. durch ein Lösen einer Lötverbindung. Damit wird der elektrische Kontakt unterbrochen, was zu einer Fehlfunktion oder zu einem Ausfall des optoelektronischen Bauelements führen kann.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, dessen elektrischer Anschluss wenig anfällig für eine Unterbrechung der Zuleitungskontakte zu dem enthaltenen Halbleiterchip ist.
  • Dieses Problem wird durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des optoelektronischen Bauelements sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • BEISPIELHAFTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Verschiedene Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements haben einen metallischen Leiterrahmen. Auf dem Leiterrahmen ist ein Halbleiterchip aufgebracht. Den Halbleiterchip umschließt eine Vergussmasse. Zwischen der Vergussmasse und dem Leiterrahmen ist eine Schutzschicht vorgesehen, wobei die Schutzschicht eine geringere Gaspermeabilität als die Vergussmasse aufweist.
  • Die Vergussmasse dient – neben einem Schutz des Halbleiterchips – als optisches Element für eine von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung. Dabei erfüllt sie optische Funktionen, wie bspw. eine Dispersion oder eine Bündelung der Strahlung. Sie zeichnet sich entsprechend durch Transparenz im Bereich der emittierten Strahlung aus.
  • Die Schutzschicht dient als Korrosionsschutz für den Leiterrahmen. Für diese Funktion ist es wichtig, dass sie möglichst einen Transport von Molekülen unterbindet, die am Leiterrahmen Korrosion hervorrufen. Korrosion kann durch Gase wie Schwefelwasserstoff (H2S), Sauerstoff (O2) oder auch Wasserdampf (H2O) hervorgerufen werden. Vorteilhaft ist dabei, dass die Schutzschicht den Molekültransport stärker unterbindet, als dies durch die Vergussmasse geschieht, weil die Gaspermeabilität der Schutzschicht geringer ist als die Gaspermeabilität der Vergussmasse.
  • Die Gaspermeabilität bezeichnet die Eigenschaft eines Materials, bspw. eines glasartigen oder eines amorphen Festkörpers, Gase durchqueren zu lassen. Hier wird unter der Gaspermeabilität insbesondere die Sauerstoff-(O2-) bzw. die Wasserstoff-(H+-)Permeabilität verstanden. Die Gaspermeabilität wird außerhalb des SI-Systems in der Einheit ”Barrer” gemessen. Die Größe ”Barrer” gibt eine Durchflussrate der Gasmoleküle durch das Material, multipliziert mit seiner Dicke, geteilt durch die durchströmte Fläche des Materials und durch die Druckdifferenz über beide Seiten des Materials an. Dabei entspricht 1 Barrer ungefähr 7,5·10–18 m4s–1N–1. Die Gaspermeabilität ist eine temperaturabhängige Größe. Für die vorliegende Offenbarung wird grundsätzlich von der Gaspermeabilität unter Normbedingungen ausgegangen. Dabei wird unter Normbedingungen insbesondere eine Temperatur von 300 Kelvin, d. h. 26,85°C verstanden.
  • Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, die optischen Funktionen der Vergussmasse und den Korrosionsschutz für den Leiterrahmen strukturell voneinander zu trennen. Dadurch kann – ohne Rücksicht auf ein Verhalten unter einer Strahlungseinwirkung – ein Material als Schutzschicht gewählt werden, dass insbesondere eine geringe Gaspermeabilität und damit eine hohe Schutzwirkung aufweist. Hingegen kann die Vergussmasse insbesondere hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften ausgewählt sein. Für die Vergussmasse kann vorteilhafterweise ein Material mit geeigneter Temperatur- und Strahlungsstabilität gewählt werden. Die Gaspermeabilität kann weitgehend unberücksichtigt bzw. nebensächlich bleiben.
  • Insgesamt wird ein effektiver Korrosionsschutz für den Leiterrahmen, insbesondere auf der Anschlussseite zum Halbleiterchip, bereitgestellt. Dadurch ist der elektrische Anschluss des Leiterrahmens wenig anfällig für eine Unterbrechung der Zuleitungskontakte zu dem enthaltenen Halbleiterchip.
  • In einigen Ausführungsformen weist die Schutzschicht bei Normbedingungen eine wenigstens zehnmal niedrigere Gaspermeabilität als die Vergussmasse auf. Damit erzielt die Schutzschicht eine höhere korrosionshemmende Wirkung als die Vergussmasse.
  • In einigen Ausführungsformen weist die Schutzschicht ein Polymer auf. Dies kann bspw. ein vernetztes Polymer sein. Damit wird ein einfaches Verarbeiten des Schutzschichtmaterials und folglich eine einfache Herstellung der Schutzschicht ermöglicht.
  • In einigen Ausführungsbeispielen weist die Schutzschicht Epoxydharz auf. Epoxydharz wird in vielen Anwendungen als Korrosionsschutz verwendet. Es ist einfach zu verarbeiten und ist vorteilhafterweise transparent, so dass optische Elemente, wie bspw. ein Reflektor hinterlegt werden können. Dazu kann bspw. der Leiterrahmen als Reflektor ausgestaltet sein.
  • In einigen Ausführungsformen weist die Schutzschicht dispergierte Streupartikel auf. Bspw. können Titanoxid-(TiO2-)Moleküle, bzw. Partikel aus TiO2, in einem Matrixmaterial, wie bspw. Epoxydharz, dispergiert sein. Sobald das Matrixmaterial ausgehärtet ist, ist die Streupartikeldispersion eingefroren. Mittels der dispergierten Streupartikel wirkt die Schutzschicht zusätzlich als reflektivitätserhöhende Schicht, die insbesondere eine Strahlungsabsorption in dem Leiterrahmen verringert. Insgesamt wird so die Ausbeute der aus dem optischen Bauelement ausgekoppelten Strahlung erhöht.
  • In einigen Ausführungsformen weist die Vergussmasse Silikon auf. Dieses Material zeichnet sich sowohl durch seine Transparenz im Bereich des sichtbaren Lichts als auch durch die leichte Verarbeitbarkeit bei der Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements aus. Weiterhin weist Silikon eine hohe Strahlungsbeständigkeit im Bereich des sichtbaren Lichts und angrenzender Spektralbereiche auf, so dass es bspw. zu keiner Trübung der Vergussmasse kommt. Die Vergussmasse kann auch ein auf Silikon basierendes Hybrid, bzw. eine entsprechende Mischung aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen weist die Vergussmasse dispergierte Streupartikel auf. Bei den Streupartikeln kann es sich um TiO2-Moleküle oder -Partikel handeln. Dadurch wird insbesondere eine Streuung der von dem optoelektronischen Halbleiterchip erzeugten Strahlung bewirkt.
  • In einer Ausführungsform weist der Leiterrahmen ein Metall mit einem Standard-Elektrodenpotential von nicht mehr als einem Volt auf. Mit dem Standard-Elektrodenpotential wird ein Redox-Potential des in dem Leiterrahmen vorhandenen Metalls beschrieben. Anhand des Standard-Elektrodenpotentials werden Metalle hinsichtlich ihrer Eigenschaft als unedle bzw. edle Metalle geordnet. Als Bezugsgröße (Nullpunkt) dient das elektrische Potential einer Normalwasserstoffelektrode unter einem Gasdruck von 1 bar bei 25°. Standard-Elektrodenpotentiale für einige in Leiterrahmen vorhandene Metalle sind:
    • • Ni → Ni2 +: –0,23 Volt;
    • • Ni → Ni2 +: –0,23 Volt;
    • • Sn → Sn2+: –0,14 Volt;
    • • Pb → Pb2+: –0,13 Volt;
    • • Fe → Fe3+: –0,04 Volt;
    • • Cu → Cu2+: +0,34 Volt;
    • • Cu → Cu+: +0,52 Volt;
    • • Ag → Ag+: +0,8 Volt;
    • • Pt → Pt2+: +1,2 Volt;
    • • Au → Au+: +1,5 Volt.
  • Durch die Begrenzung des Standard-Elektrodenpotentials weist der Leiterrahmen insbesondere ein kostengünstig verfügbares Metall auf, während auf besonders edle, d. h. gegenüber Korrosion inerte Metalle verzichtet werden kann. Das Vorsehen edler Metalle erübrigt sich durch das Bereitstellen der Schutzschicht.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Metall ein für ein den sichtbaren Wellenbereich hochreflektierendes Metall. Das bedeutet, dass das Metall ab einer Wellenlänge von 400 nm einen Reflexionskoeffizienten von größer 0,80 aufweist. Dadurch trägt der Leiterrahmen verstärkt zur Reflexion von Streustrahlung bei und die Effizienz der Strahlungsauskopplung des optoelektronischen Bauelements ist erhöht.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Metall Silber, das bei relativ hoher Korrosionsbeständigkeit eine sehr hohe Reflektivität aufweist.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Metall an einer der Vergussmasse zugewandten Oberfläche des Leiterrahmens angeordnet, um derart ein besonders gute Rückstreuung der Streustrahlung zu erzielen. Der restliche Teil des Leiterrahmens kann bspw. ein gut leitendes Material aufweisen, wie Kupfer (Cu) oder ein Legierung bzw. ein Gemisch.
  • In einigen Ausführungsformen ist der optoelektronische Halbleiterchip eine Lumineszenzdiode. Denkbar sind jedoch auch andere optoelektronische Halbleiterchips, wie bspw. Photosensoren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele des optoelektronischen Bauelements werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren geben die erste(n) Ziffer(n) eines Bezugszeichens die Figur an, in denen das Bezugzeichen zuerst verwendet wird. Die gleichen Bezugszeichen werden für gleichartige oder gleich wirkende Elemente bzw. Eigenschaften in allen Figuren verwendet.
  • Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements und
  • 3 eine Aufsicht auf das zweite Ausführungsbeispiel unter Weglassen der Vergussmasse.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100. Das optoelektronische Bauelement weist einen Leiterrahmen 102 auf, auf den ein optoelektronischer Halbleiterchip 104 aufgebracht ist. Der optoelektronische Halbleiterchip 104 ist von einer Vergussmasse 106 umschlossen. Dabei ist zwischen der Vergussmasse 106 und dem Leiterrahmen eine Schutzschicht 108 vorgesehen.
  • Der Leiterahmen 102 dient zur elektronischen Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterchips 104. Er weist in aller Regel ein Metall auf, das idealerweise hinsichtlich seiner elektrischen und optischen Eigenschaften gewählt ist. Der auf dem Leiterrahmen 102 aufgebrachte Halbleiterchip 104 emittiert Strahlung insbesondere in Richtung der Hauptseiten, d. h. nach oben und nach unten. Typischerweise wird der Leiterrahmen 102 daher ein hochreflektierendes Metall, wie bspw. Silber aufweisen, indem er bspw. mit einer Silberschicht beschichtet ist. Silber ist zugleich ein guter elektrischer Leiter.
  • Die von dem Halbleiterchip 104 emittierte Strahlung wird somit insbesondere über die Vergussmasse 106 ausgekoppelt. Die Vergussmasse 106 dient als optisches Element, das die emittierte Strahlung bündelt oder streut. Dabei ist es wichtig, dass die Vergussmasse 106 möglichst resistent gegenüber der emittierten Strahlung ist. Soweit es sich bei der emittierten Strahlung um Strahlung im sichtbaren Bereich, um ultraviolette oder um infrarote Strahlung handelt, kommt bspw. Silikon oder ein auf Silikon basierendes Material als Vergussmasse in Betracht.
  • Die Schutzschicht 108 ist seitlich des Halbleiterchips 104 angeordnet. Sie liegt damit konstruktionsbedingt nicht im Bereich der höchsten Strahlungsdichte. Entsprechend sind die Eigenschaften der Schutzschicht 108 insbesondere hinsichtlich der Eigenschaft als korrosionshemmende Schicht ausgewählt. Dabei kann die Schutzschicht zusätzlich Streupartikel, wie etwa TiO2-Moleküle oder -Partikel enthalten. Damit ergibt sich eine hohe Reflektivität der Schutzschicht 108. Damit ist die Reflektivität des Leiterrahmens 102 auf den von der Schutzschicht 108 bedeckten Teilen höher als die Reflektivität des Leiterrahmens 102 ohne Schutzschicht 108. Insbesondere erfüllt die Schutzschicht 108 damit auch die Funktion einer reflektivitätserhöhenden Schicht.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 200. Das zweite Ausführungsbeispiel weist grundsätzlich einen zu dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 gleichartigen Aufbau auf. Es kann entsprechend der beschrieben möglichen Ausgestaltungen und Variationen des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet sein. Wesentlich unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Grundkörper 202 vorgesehen ist. Der Grundkörper 202 entspricht einem Träger für die übrigen Elemente des optoelektronischen Bauelements 200 mit einem Gehäuse zum Schutz derselben. Der Grundkörper 202 kann einstückig oder mehrteilig ausführt sein. Bspw. ist der Grundkörper 202 durch das Umspritzen eines Trägers oder des Leiterrahmens 102 mit einem Kunststoffmaterial gebildet. Dabei können die Materialen für den Grundkörper 202 aus einer Vielzahl von aus der Halbleiterfertigung bekannten, geeigneten Materialen gewählt sein. Es kann bspw. ein Temperaturbereich für eine Betriebstemperatur des optoelektronischen Halbleiterbauelements berücksichtigt sein. Bspw. können geeignete Materialien mit einem hohen Reflexionskoeffizienten gewählt sein. Dadurch kann bspw. die Abstrahlleistung des optoelektronischen Bauelements 200 erhöht sein. Es ist denkbar, dass der Grundkörper 202 oder Teile des Grundkörpers 202 durch ein Spritzgussverfahren erzeugt sind.
  • Der Grundkörper 202 umschließt seitlich umlaufend den Leiterrahmen 102. Auf den Leiterrahmen 102 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip aufgebracht, der über eine Verbindungsschicht 204 auf dem Leiterrahmen 102 befestigt ist. Die Verbindungsschicht 204 kann ein Klebstoff, bspw. ein leitfähiger Klebstoff sein. In einigen Ausführungsformen ist die Verbindungsschicht 204 eine Lotverbindung. Durch die Lotverbindung wird ein elektrischer Kontakt zwischen dem optoelektronischen Halbleiterchip 104 und dem Leiterrahmen 102 hergestellt.
  • Der Halbleiterchip 104 ist von einer Vergussmasse 106 bedeckt. Die Vergussmasse 106 bedeckt auch Teile des Grundkörpers 202. Zwischen der Vergussmasse 106 und dem Leiterrahmen 102 ist eine Schutzschicht 108 vorgesehen. Die Schutzschicht umschließt seitlich den Halbleiterchip 104.
  • Zusätzlich ist in dem Grundkörper 202 ein Kontaktanschluss 206 vorgesehen. Der Kontaktanschluss 206 ist über eine Kontaktverbindung 208 mit der der Vergussmasse 208 zugewandten Oberseite des Halbleiterchips 104 (Strahlungsauskopplungsseite) verbunden. Dadurch wird ein elektrischer Kontakt über die Strahlungsauskopplungsseite hergestellt. Die Kontaktverbindung 208 ist bspw. ein Bonddraht.
  • In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Schutzschicht 108 auch über den Teil des Kontaktanschluss 206 aufgebracht, an dem dieser mit der Kontaktverbindung 208 verbunden ist. Die Verbindungsstelle zwischen Kontaktanschluss 206 und Kontaktverbindung 208 besteht bspw. aus einer Lötstelle (wedge), die ebenfalls vor Korrosion und einer dadurch erfolgenden Trennung der Verbindung geschützt werden soll. Insbesondere wird also die Verbindungsstelle durch ein bedecken mit der Schutzschicht 108 gut vor einem Auftrennen der elektrischen Verbindung geschützt, wodurch eine mögliche Ursache für eine Fehlfunktion des optoelektronischen Bauelements 200 weitgehend beseitigt ist.
  • 3 zeigt Aufsicht auf das zweite Ausführungsbeispiel unter Weglassen der Vergussmasse. Dargestellt ist der Grundkörper 202, der eine Vertiefung aufweist, in dem der optoelektronische Halbleiterchip 104 eingebracht ist. Der Grundkörper hat eine Vielzahl von Befestigungselementen 300, um das optoelektronische Bauelement 200 bspw. auf einer Leiterplatte (printed circuit board bzw. PCB) zu befestigen.
  • Der Halbleiterchip 104 ist seitlich von einer Schutzschicht 108 umschlossen, so dass in der Aufsicht der unter Halbleitchip 104 und unter der Schutzschicht 108 liegende Leiterrahmen nicht erkennbar ist. Der Leiterrahmen ist derart in Richtung der Strahlungsauskopplungsseite vor Korrosion geschützt.
  • In der Aufsicht ist die Strahlungsauskopplungsseite des Halbleiterchips 104 mit einer beispielhaften Stromverteilerstruktur zu erkennen. Der Halbleiterchip 104 ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel über ein sogenanntes bondpad und einer Kontaktverbindung 208, bspw. einem Bonddraht, mit dem Kontaktanschluss 206 verbunden. Ebenso ist ein zweiter Kontaktanschluss 302 dargestellt, mit dem die Leiterplatte elektrisch kontaktiert werden kann.
  • ABSCHLIESSENDE FESTSTELLUNG
  • Das optoelektronische Bauelement wurde zur Veranschaulichung des zugrundeliegenden Gedankens anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte Merkmalskombinationen beschränkt. Auch wenn einige Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso möglich, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre realisiert bleibt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Optoelektronisches Bauelement
    102
    Leiterrahmen
    104
    Halbleiterchip
    106
    Vergussmasse
    108
    Schutzschicht
    200
    Optoelektronisches Bauelement
    202
    Grundkörper
    204
    Verbindungsschicht
    206
    Kontaktanschluss
    208
    Kontaktverbindung
    300
    Befestigungselement
    302
    Zweiter Kontaktanschluss

Claims (12)

  1. Optoelektronisches Bauelement (100) umfassend: – einen metallischen Leiterrahmen (102), – einen auf dem Leiterrahmen (102) aufgebrachten Halbleiterchip (104), – eine den Halbleiterchip (104) umschließende Vergussmasse (106) und – eine zwischen der Vergussmasse (106) und dem Leiterrahmen (102) vorgesehene Schutzschicht (108), wobei die Schutzschicht (108) eine geringere Gaspermeabilität als die Vergussmasse (106) aufweist.
  2. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß Patentanspruch 1, wobei die Schutzschicht (108) bei Normbedingungen eine wenigstens zehnmal niedrigere Gaspermeabilität als die Vergussmasse (106) aufweist.
  3. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die Schutzschicht (108) ein Polymer aufweist.
  4. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß Patentanspruch 3, wobei die Schutzschicht (108) Epoxydharz aufweist.
  5. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche wobei die Schutzschicht (108) dispergierte Streupartikel aufweist.
  6. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die Vergussmasse (106) Silikon aufweist.
  7. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die Vergussmasse (106) dispergierte Streupartikel aufweist.
  8. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei der Leiterrahmen (102) ein Metall mit einem Standard-Elektrodenpotential von nicht mehr als einem Volt aufweist.
  9. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei das Metall ein für den sichtbaren Wellenbereich hochreflektierendes Metall ist.
  10. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der Patentansprüche 8 oder 9, wobei das Metall Silber ist.
  11. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der Patentansprüche 8 bis 10, das Metall an einer der Vergussmasse (106) zugewandten Oberfläche des Leiterrahmens (102) angeordnet ist.
  12. Optoelektronisches Bauelemente (100) gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei der optoelektronische Halbleiterchip (104) eine Lumineszenzdiode ist.
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