DE102010024758A1 - Verfahren zur Herstellung eines Optikkörpers, Optikkörper und optoelektronisches Bauteil mit dem Optikkörper - Google Patents

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Abstract

In zumindest einer Ausführungsform des Optikkörpers (3) umfasst dieser ein amorphes Silikon-Hybridmaterial mit einem Netzwerk. An ersten Knotenpunkten (1) des Netzwerks befinden sich Siliziumatome. An zweiten Knotenpunkten (2) des Netzwerks befinden sich Metallatome M. Alternativ oder zusätzlich zu den Metallatomen M an den zweiten Knotenpunkten (2) können sich in Zwischenräumen des Netzwerks Metallkomplexe und/oder Metalloxid-Partikel befinden. Die ersten (1) und gegebenenfalls die zweiten Kontenpunkte (2) sind über Sauerstoffbrücken (21) miteinander verbunden. Ein mittlerer optischer Brechungsindex des Silikon-Hybridmaterials beträgt mindestens 1,4.

Description

  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Optikkörpers für ein optoelektronisches Bauteil angegeben. Darüber hinaus wird ein Optikkörper sowie ein optoelektronisches Bauteil mit einem solchen Optikkörper angegeben.
  • In der Druckschrift US 2007/0221939 A1 ist ein Silikonpolymer mit Nanopartikeln angegeben.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Optikkörpers mit einem hohen Brechungsindex anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Optikkörper mit einem hohen Brechungsindex und ein optoelektronisches Bauteil mit einem solchen Optikkörper anzugeben.
  • In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens dient dieses dazu, mittels eines Sol-Gel-Prozesses einen Optikkörper herzustellen, der ein strahlungsdurchlässiges Silikon-Hybridmaterial umfasst. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte:
    • A) Hydrolyse und Kondensation, bevorzugt Polykondensation, eines Silans oder einer Mischung verschiedener Silane gemäß der allgemeinen Formel (I) Yn-Si-(OR)4-n unter Anwesenheit einer Metallverbindung gemäß der allgemeinen Formel (II) Xm-M-(OR')k-m, und
    • B) Verfestigen des Kondensats aus Schritt A), wobei – R und R' jeweils für organische Reste stehen, die unabhängig voneinander gewählt sein können, OR und OR' hydrolysierbare Gruppen sind und wobei die Reste innerhalb eines Moleküls voneinander verschieden sein können, – X und Y jeweils für Wasserstoff oder für organische Reste stehen, die unabhängig voneinander gewählt sein können und wobei die Reste innerhalb eines Moleküls voneinander verschieden sein können, – M für ein Metallatom oder ein Metallion steht und k die Bindungswertigkeit des Metalls M darstellt mit 2 ≤ k ≤ 4, und – k, m, n ganze Zahlen sind mit 0 ≤ n ≤ 2 und mit 0 ≤ m < k. Bevorzugt gilt weiterhin, dass 1 ≤ n + m.
  • Hydrolyse und Kondensation, insbesondere Polykondensation, bedeutet, dass in dem Verfahrensschritt A) wenigstens ein Teil der an Sauerstoffatome gebundenen Reste R und R' unter Bildung von Alkoholen R-OH und R'-OH abgespalten wird, wobei mittels der Kondensation dann sogenannte Sol-Gel-Hybridpolymere beziehungsweise Hybrid-Polysiloxane entstehen. Die Hydrolyse und die Kondensation können zumindest teilweise nebeneinander ablaufen. Es ist möglich, dass an der Kondensation nur das Silan der allgemeinen Formel (I) teilnimmt, und nicht die Metallverbindung der allgemeinen Formel (II). Alternativ hierzu können an der Kondensation sowohl das Silan der allgemeinen Formel (I) als auch die Metallverbindung der allgemeinen Formel (II) teilnehmen.
  • Verfestigen bedeutet, dass eine Viskosität beziehungsweise eine Viskosität oder eine Härte des Silikon-Hybridmaterials ansteigt. Bei dem Verfestigen oder auch Aushärten wird insbesondere ein Lösungsmittel entfernt oder es werden zusätzlich weitere chemische Bindungen geknüpft oder beide Prozesse laufen nebeneinander ab. Zum Beispiel beträgt eine Härte des verfestigten Silikon-Hybridmaterials mindestens Shore A 80 oder mindestens Shore D 40 oder mindestens Shore D 60.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird im Schritt A) dem Silan der allgemeinen Formel (I) ein Lösungsmittel sowie Wasser und optional ein Katalysator zugegeben. Bei dem Lösungsmittel handelt es sich insbesondere um Tetrahydrofuran oder um einen C1 bis C4-Alkohol, zum Beispiel um Ethanol oder um Propanol. Bei dem Katalysator kann es sich um eine Säure oder um eine Base handeln, zum Beispiel um verdünnte Salzsäure.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird insbesondere während des Schritts A) in einem Schritt C) dem Silan der allgemeinen Formel (I) ein flüssiges Gemisch, das die Metallverbindung der allgemeinen Formel (II) und insbesondere das Lösungsmittel aufweist, zugegeben. Die Zugabe des flüssigen Gemisches mit dem Silan der allgemeinen Formel (I) erfolgt bevorzugt, wenn das Silan bereits zumindest teilweise hydrolysiert und teilweise kondensiert vorliegt. Weiterhin bevorzugt beinhaltet das flüssige Gemisch ein Komplexierungsmittel für die Metallverbindung der allgemeinen Formel (II). Durch das Komplexierungsmittel werden in dem Gemisch lösliche Metallkomplexe beziehungsweise Chelate mit dem Metall M aus der Metallverbindung mit der allgemeinen Formel (II) gebildet. Über das Komplexierungsmittel wird insbesondere ein Ausfällen oder eine Entstehung von Ablagerungen mit dem Metall M verhindert oder reduziert. Das Komplexierungsmittel ist zum Beispiel ein Diketon wie Acetylaceton oder eine Carbonsäure wie Propionsäure.
  • Durch das Verfahren wird ein Silikon-Hybridmaterial hergestellt, bei dem Metallatome M aus der Metallverbindung mit der allgemeinen Formel (II) eingelagert sind. Durch die in dem Silikon-Hybridmaterial eingelagerten Metallatome M ist ein optischer Brechungsindex des Silikon-Hybridmaterials höher als bei einem herkömmliches Silikon, bei dem keine Metallatome M eingelagert sind. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird Silizium im Unterschied zu den Metallen als Halbmetall aufgefasst.
  • Bei einem herkömmlichen Silikon liegt ein Netzwerk vor, bei dem erste Knotenpunkte durch Siliziumatome besetzt sind und die ersten Knotenpunkte über Sauerstoffatome miteinander verbunden sind. Bei dem durch das beschriebene Verfahren hergestellten Silikon-Hybridmaterial sind die Metallatome M aus der Metallverbindung mit der allgemeinen Formel (II) auf eine oder auf mehrere der folgenden drei Arten eingelagert:
    • – Im Vergleich zu einem herkömmlichen Silikon sind bei dem Silikon-Hybridmaterial Siliziumatome an den ersten Knotenpunkten des Netzwerks durch Metallatome M aus der Metallverbindung mit der allgemeinen Formel (II) substituiert. Die mit den Metallatomen M besetzten Knotenpunkte werden als zweite Knotenpunkte bezeichnet. Die Siliziumatome auf den ersten Knotenpunkten stammen aus dem Silan mit der allgemeinen Formel (I). Die ersten und die zweiten Knotenpunkte, die in beliebiger Reihe aufeinander folgen können, sind jeweils überwiegend oder ausschließlich über Sauerstoffatome miteinander verknüpft. Diese Sauerstoffatome bilden also Sauerstoffbrücken zwischen den ersten und zweiten Kontenpunkten. Überwiegend kann bedeuten, dass mindestens 80%, insbesondere mindestens 98% der Verknüpfungen zwischen den ersten und zweiten Knotenpunkten über Sauerstoffatome realisiert sind.
    • – Metallkomplexe mit den Metallatomen M aus der Metallverbindung mit der allgemeinen Formel (II) sind in Zwischenräumen beziehungsweise in Maschen oder in Poren des Netzwerks des Silikon-Hybridmaterials eingelagert. Bei dieser Art der Einlagerung befindet sich noch ein Teil des Komplexierungsmittels bevorzugt in dem ausgehärteten Silikon-Hybridmaterial, also nach dem Verfahrensschritt B). Die Metallkomplexe können somit das Komplexierungsmittel als Ligand beinhalten.
    • – Die Zwischenräume des Silikon-Hybridmaterials sind wenigstens zum Teil mit Metalloxid-Partikeln gefüllt. Ein mittlerer Durchmesser der Metalloxid-Partikel beträgt hierbei bevorzugt höchstens 20 nm, besonders bevorzugt höchstens 10 nm, insbesondere höchstens 5 nm. Die Metallatome M der Metalloxid-Partikel stammen aus der Metallverbindung mit der allgemeinen Formel (II).
  • Zwischen Sauerstoffatomen des Silikon-Hybridmaterials, die insbesondere kovalent an einen der ersten oder an einen der zweiten Knotenpunkt gebunden sind, und den Metallkomplexen beziehungsweise den Metalloxid-Partikeln in den Zwischenräumen können kovalente Bindungen vorliegen. Alternativ oder zusätzlich könnten kovalente Bindungen zwischen den ersten Knotenpunkten des Netzwerks des Silikon-Hybridmaterials und den Metallkomplexen beziehungsweise den Metalloxid-Partikeln in den Zwischenräumen vorliegen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Zwischenräume des Netzwerks des Silikon-Hybridmaterials einen mittleren Durchmesser oder mittlere Ausdehnungen entlang mindestens einer Raumrichtung von höchstens 150 nm oder von höchstens 50 nm auf. Die Zwischenräume sind insbesondere frei von den ersten Knotenpunkten.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Silikon-Hybridmaterial ein amorphes Material. Amorph kann bedeuten, dass das Silikon-Hybridmaterial keine regelmäßige Struktur, insbesondere keine Kristallstruktur, aufweist. Amorph kann auch bedeuten, dass keine Fernordnung zwischen den Atomen des Netzwerks besteht. Mit anderen Worten kann das Netzwerk glasartig gestaltet sein. Amorph schließt nicht notwendig aus, dass insbesondere in Zwischenräumen des Netzwerks kristalline Bereiche eingebunden sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Silikon-Hybridmaterial ein homogenes Material. Homogen bedeutet, dass in dem Silikon-Hybridmaterial keine Konzentrationsschwankungen von Komponenten des Materials auftreten, die über statistische Abweichungen hinausgehen, insbesondere gesehen über das gesamte Silikon-Hybridmaterial hinweg. Mit anderen Worten ist dann keine gezielte Konzentrationsvariation von Komponenten des Silikon-Hybridmaterials eingestellt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Gewichtsanteil von Y aus dem Silan mit der allgemeinen Formel (I) und von X aus der Metallverbindung mit der allgemeinen Formel (II) an einem Gesamtgewicht des Silikon-Hybridmaterials nach dem Schritt B) zwischen einschließlich 5 Gew-% und 40 Gew-%, insbesondere zwischen einschließlich 5 Gew-% und 20 Gew-%, bevorzugt zwischen einschließlich 5 Gew-% und 10 Gew-%.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein mittlerer optischer Brechungsindex des Silikon-Hybridmaterials aufgrund der eingelagerten Metallatome M aus der Metallverbindung mit der allgemeinen Formel (II) mindestens 1,40, insbesondere mindestens 1,45 oder mindestens 1,60, bevorzugt mindestens 1,80.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Anteil der Metallatome M aus der Metallverbindung mit der allgemeinen Formel (II) auf den zweiten Knotenpunkten, in den Metallkomplexen beziehungsweise in den Metall-Partikeln des Silikon-Hybridmaterials insgesamt zwischen einschließlich 2 Atom-% und 80 Atom-%. Bevorzugt liegt dieser Anteil zwischen einschließlich 10 Atom-% und 60 Atom-%, insbesondere zwischen einschließlich 35 Atom-% und 45 Atom-%. Der Anteil der Metallatome ist dabei gegeben als die Anzahl der Metallatome in dem Silikon-Hybridmaterial, geteilt durch die Summe aus der Anzahl der Metallatome in dem Silikon-Hybridmaterial und der Anzahl der Siliziumatome auf den ersten Knotenpunkten des Silikon-Hybridmaterials.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die zweiten Knotenpunkte durch zumindest eines der folgenden Metalle oder durch eine beliebige Kombination daraus besetzt: Ba(II), La(III), Ti(IV), Zn(II), Zr(IV) und Sn(IV).
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Metallkomplexe in den Zwischenräumen mit Ba(II), La(III), Sn(IV), Ti(IV), Zn(II) oder Zr(IV) gebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die Metalloxid-Partikel in den Zwischenräumen Oxide von Ba, La, Sn, Ti, Zn oder Zr oder es bestehen die Metalloxid-Partikel aus solchen Oxiden oder aus Mischungen von solchen Oxiden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Silikon-Hybridmaterial frei von optisch inaktiven, insbesondere kristallinen Metalloxid-Partikeln. Speziell ist das Silikon-Hybridmaterial frei von Metalloxid-Partikeln mit mittleren Durchmessern zwischen einschließlich 1 nm und 1 μm. Mit anderen Worten sind dem Silikon-Hybridmaterial keine optisch inaktiven, kristallinen Nanopartikel beigegeben. Optisch inaktiv bedeutet, dass es sich bei den Partikeln insbesondere nicht um ein Konversionsmittel handelt. Ist das Silikon-Hybridmaterial frei von solchen Metalloxid-Partikeln, so können die Metallatome besonders homogen über das Silikon-Hybridmaterial verteilt sein und es ist möglich, dass optische Eigenschaften über das Silikon-Hybridmaterial hinweg besonders wenig variieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Silikon-Hybridmaterial bei wenigstens einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich eine optische Dichte von höchstens 0,2 auf, bezogen auf eine Dicke des Silikon-Hybridmaterials von 1 mm. Insbesondere beträgt die optische Dichte des Silikon-Hybridmaterials höchstens 0,09/mm, bevorzugt höchstens 0,05/mm oder höchstens 0,03/mm. Mit anderen Worten beträgt eine Transmission bei einer Materialdicke von 0,5 mm des Silikon-Hybridmaterials mindestens 80%, insbesondere mindestens 90% oder mindestens 95%.
  • Das heißt, das Silikon-Hybridmaterial ist transparent oder nahezu transparent. Sichtbare Strahlung ist Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 400 nm und 780 nm. Es kann das Silikon-Hybridmaterial im gesamten sichtbaren Spektralbereich die genannten optischen Dichten aufweisen. Ebenso ist möglich, dass das Silikon-Hybridmaterial die aufgeführten optischen Dichten bei wenigstens einer Wellenlänge im nahen ultravioletten Spektralbereich zwischen einschließlich 340 nm und 400 nm oder in diesem gesamten Spektralbereich aufweist.
  • Ferner wird ein Optikkörper sowie ein optoelektronisches Bauteil mit einem solchen Optikkörper angegeben. Der Optikkörper umfasst ein Silikon-Hybridmaterial, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen des Verfahrens angegeben. Merkmale des Optikkörpers sowie des optoelektronischen Bauteils sind daher auch für das hier beschriebene Verfahren beziehungsweise das damit hergestellte Silikon-Hybridmaterial offenbart und umgekehrt.
  • In zumindest einer Ausführungsform des Optikkörpers umfasst dieser ein amorphes Silikon-Hybridmaterial mit einem Netzwerk oder besteht aus dem amorphen Silikon-Hybridmaterial. An ersten Knotenpunkten des Netzwerks befinden sich Siliziumatome. An zweiten Knotenpunkten des Netzwerks befinden sich Metallatome M. Alternativ oder zusätzlich zu den Metallatomen M an den zweiten Knotenpunkten können sich in Zwischenräumen des Netzwerks Metallkomplexe und/oder Metalloxid-Partikel befinden. Die ersten und gegebenenfalls die zweiten Kontenpunkte sind über Sauerstoffbrücken miteinander verbunden.
  • Durch die Einlagerung der Metallatome M ist ein Brechungsindex des Optikkörpers erhöht, verglichen mit einem Optikkörper aus einem herkömmlichen Silikon. Dadurch ist zum Beispiel eine Auskoppeleffizienz von Strahlung etwa aus einem Halbleiterchip heraus, den der Optikkörper umgeben kann, steigerbar. Ebenso ist eine Strahlungsankopplung an beispielsweise in den Optikkörper eingebettete Konversionsmittelpartikel erhöhbar. Eine Steigerung der Auskoppeleffizienz oder eine Erhöhung der Strahlungsankopplung ist also aufgrund des höheren Brechungsindexes des Silikon-Hybridmaterials, im Vergleich zu einem herkömmlichen Silikon, und einem damit einhergehenden geringeren Brechungsindexunterschied zwischen dem Silikon-Hybridmaterial und dem Halbleiterchip beziehungsweise den Konversionsmittelpartikeln ermöglicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Optikkörpers ist dieser strahlungsdurchlässig und dazu eingerichtet, von einer ultravioletten und/oder sichtbaren Strahlung durchlaufen zu werden. Bei dem Optikkörper kann es sich um einen strahlformenden Körper wie eine Linse handeln. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Optikkörper schichtartig geformt und beispielsweise dazu eingerichtet ist, als Verbindungsmittelschicht zu dienen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der Optikkörper optisch aktive Bestandteile, die Einfluss auf spektrale Eigenschaften einer sichtbaren Strahlung nehmen. Ein optisch aktiver Bestandteil ist zum Beispiel ein Konversionsmittel oder ein Filtermittel.
  • In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst dieses einen Träger und mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip, der auf dem Träger angebracht ist. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip kann es sich um eine Leuchtdiode, eine Laserdiode oder um eine Fotodiode handeln. Insbesondere kann der Halbleiterchip ein Dünnfilmhalbleiterchip mit einer Dicke einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge von höchstens 10 μm sein. Ferner weist das optoelektronische Bauteil einen oder auch mehrere der Optikkörper auf. Der mindestens eine Optikkörper ist dem Halbleiterchip nachgeordnet, insbesondere gesehen in einer Abstrahlrichtung oder Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist der Optikkörper separat gefertigt und über ein Verbindungsmittel an dem Halbleiterchip und optional an dem Träger befestigt. Das Verbindungsmittel kann ein hier beschriebenes Silikon-Hybridmaterial umfassen, wodurch das Verbindungsmittel dann insbesondere ebenso ein hier beschriebener Optikkörper ist. Alternativ hierzu umfasst das Verbindungsmittel einen anderen Klebstoff, zum Beispiel ein herkömmliches Silikon. Separat gefertigt bedeutet insbesondere, dass der Optikkörper nicht unmittelbar an den Halbleiterchip oder an den Träger angeformt ist. Mit anderen Worten ist der Optikkörper dann nicht formschlüssig zu dem Träger oder dem Halbleiterchip geformt.
  • Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Silikon-Hybridmaterial, ein hier beschriebener Optikkörper, ein hier beschriebenes optoelektronisches 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 und 2 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Optikkörpern,
  • 3 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Bauteilen,
  • 4 eine Fließschema eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Herstellungsverfahrens,
  • 5 und 6 schematische Illustrationen von Strukturen eines Silikon-Hybridmaterials eines hier beschriebenen Optikkörpers, und
  • 7 eine schematische Darstellung einer Transmission in Abhängigkeit von der Wellenlänge eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Optikkörpers.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Optikkörpers 3, umfassend ein amorphes Silikon-Hybridmaterial, in einer Schnittdarstellung illustriert. Der Optikkörper 3 weist eine planare Unterseite 30 und eine konvex gekrümmte Oberseite 31 auf. Eine Dicke T des Optikkörpers 3 beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 1 μm und 5 mm, insbesondere zwischen einschließlich 10 μm und 500 μm.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2A ist dem Optikkörper 3 optional ein Konversionsmittel 8 beigegeben, das im Rahmen der Herstellungstoleranzen homogen in dem Optikkörper 3 verteilt ist. Das Konversionsmittel 8 ist dazu eingerichtet, eine Strahlung in einem ersten Spektralbereich zu absorbieren und in eine Strahlung in einem anderen Spektralbereich umzuwandeln. Bei dem Konversionsmittel 8 kann es sich um Seltenerden-dotierte Granate wie YAG:Ce, um Seltenerden-dotierte Orthosilikate wie (Ba, Sr)2SiO4:Eu oder um Seltenerden-dotierte Siliziumoxinitride oder Siliziumnitride wie (Ba, Sr)2Si5N8:Eu handeln.
  • Weitere Beispiele für Materialien des Konversionsmittels sind
    • – Chlorosilikate, wie beispielsweise in der Druckschrift DE 10036940 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
    • – Orthosilikate, Sulfide, Thiometalle und Vanadate wie beispielsweise in der Druckschrift WO 00/33390 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
    • – Aluminate, Oxide, Halophosphate, wie beispielsweise in der Druckschrift US 6,616,862 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
    • – Nitride, Sione und Sialone wie beispielsweise in der Druckschrift DE 101 47 040 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
    • – Granate der Seltenen Erden wie YAG:Ce und der Erdalkalielemente wie beispielsweise in der Druckschrift US 2004/0062699 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart, und
    • – organische Materialien, insbesondere, wenn das Konversionsmittel 8 von einem in 2 nicht dargestellten Halbleiterchip beabstandet ist.
  • Das Konversionsmittel 8 liegt bevorzugt als Pulver vor, wobei Partikel des Pulvers einen mittleren Durchmesser insbesondere zwischen einschließlich 2 nm und 50 μm, bevorzugt zwischen einschließlich 1 μm und 25 μm, aufweisen. Die Partikel sind in das Silikon-Hybridmaterial eingebettet. Das Silikon-Hybridmaterial bildet dabei eine Art Matrix für die Partikel des Konversionsmittels 8. Die Partikel des Konversionsmittels 8 nehmen gezielt Einfluss auf die spektralen Eigenschaften sichtbarer Strahlung und sind somit optisch aktive Partikel. Ein mittlerer Brechungsindexunterschied zwischen einem Material des Konversionsmittels 8 und dem Silikon-Hybridmaterial beträgt bevorzugt höchstens 0,5 oder höchstens 0,3, insbesondere höchstens 0,1. Das Konversionsmittel 8 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen des Optikkörpers 3 vorhanden sein.
  • An der Unterseite 30 des Optikkörpers 3 ist eine Ausnehmung 32 gestaltet. Die Ausnehmung 32 ist zur Aufnahme eines optoelektronischen Halbleiterchips eingerichtet, der in 2A nicht dargestellt ist. Sowohl eine Innenseite der Ausnehmung 32 als auch die Oberseite 31 des Optikkörpers 3 weisen Krümmungen auf. Insbesondere können die Krümmungen voneinander verschieden sein.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2B ist die Oberseite 31 des Optikkörpers 3 mit einem Mikrolinsenarray oder mit einer Formgebung entsprechend einer Fresnel-Linse versehen. Der Optikkörper ist hierbei plättchenartig geformt. Dem Optikkörper 3 kann optional das Konversionsmittel 8 beigegeben sein. Es ist wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, dass das Konversionsmittel 8 inhomogen im Optikkörper 3 verteilt ist, sodass insbesondere in einem Zentralbereich 33 eine höhere Konzentration des Konversionsmittels 8 vorliegt als in einem Randbereich 34, der den Zentralbereich 33 beispielsweise ringsum umgibt.
  • In 3A ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauteils 10 angegeben. Das Bauteil 10 umfasst einen Träger 11 mit einer wannenartigen Ausnehmung 14, in der ein optoelektronischer Halbleiterchip 12 angebracht ist. Eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips 12 erfolgt über Anschlussstücke 9. Die Ausnehmung 14 ist vollständig von dem Optikkörper 3 ausgefüllt, wobei der Optikkörper 3 laterale Begrenzungsflächen der Ausnehmung 14 überragt. Der Optikkörper 3 ist unmittelbar und formschlüssig an den Halbleiterchip 12, an den Träger 11 sowie an die Anschlussstücke 9, insbesondere an einen Bonddraht 15, angeformt. Das Silikon-Hybridmaterial steht also in direktem, physischem Kontakt mit dem Halbleiterchip 12. Weiterhin bildet der Optikkörper 3 eine Verkapselung des Halbleiterchips 12. Insbesondere ist der Halbeiterchip 12 von dem Optikkörper 3 und dem Träger 11 vollständig umgeben und eingeschlossen.
  • Gemäß 3B ist der Optikkörper 3 separat von dem Träger 11 und dem Halbleiterchip 12 gefertigt und nicht formschlüssig zu dem Halbleiterchip 12 geformt. Beispielsweise ist die Ausnehmung 32 des Optikkörpers 3 quaderförmig oder linsenförmig gestaltet. In der Ausnehmung 32 befindet sich ein Verbindungsmittel 13, über das eine Haftung zwischen dem Optikkörper 3 und dem Träger 11 sowie dem Halbleiterchip 12 vermittelt ist. Bevorzugt umfasst oder besteht das Verbindungsmittel 13 ebenfalls aus einem Silikon-Hybridmaterial, wobei das Silikon-Hybridmaterial des Verbindungsmittels 13 von dem des Optikkörpers 3 verschieden sein kann. Das Verbindungsmittel 13 kann ein Konversionsmittel aufweisen.
  • Gemäß 3C weist das Bauteil 10 zwei Optikkörper 3a, 3b auf. Der Halbleiterchip 12 ist über den ersten Optikkörper 3a, der schichtartig oder plättchenartig geformt ist, mit dem zweiten, linsenartigen Optikkörper 3b verbunden. Mit anderen Worten ist ein Verbindungsmittel durch den Optikkörper 3a gebildet. Beide Optikkörper 3a, 3b sind aus dem Silikon-Hybridmaterial geformt. Bevorzugt weist der an den Halbleiterchip 12 angeformte Optikkörper 3a einen höheren Brechungsindex auf als der Optikkörper 3b. Ein mittlerer Brechungsindexunterschied zwischen dem Halbleiterchip 12 und den Optikkörpern 3a, 3b beträgt bevorzugt höchstens 1,0, insbesondere höchstens 0,9 oder höchstens 0,8 oder höchstens 0,7, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen. Eine Dicke des schichtförmigen Optikkörpers 3b liegt bevorzugt zwischen einschließlich 100 nm und 5 mm, insbesondere zwischen einschließlich 1 μm und 100 μm.
  • In 4 ist ein Fließschema für ein Herstellungsverfahren für den Optikkörper 3 schematisch illustriert. In einem Schritt A) wird ein Silan 6 mit der allgemeinen Formel (I) Yn-Si-(OR)4-n bereitgestellt. Der organische Rest Y ist bevorzugt eine Arylgruppe oder eine Alkylgruppe. Es werden bevorzugt kleinvolumige, kurze organische Reste, insbesondere C1 bis C3-Alkylreste, verwendet. Der organische Rest R ist bevorzugt eine Alkylgruppe mit einer Kettenlänge zwischen einschließlich C1 und C5, wobei die Gruppe OR hydrolysierbar ist. Weist das Silan 6 mehrere Reste R auf, so können diese voneinander verschieden sein. Entsprechendes gilt für den organischen Rest Y. Zum Beispiel ist das Silan 6 Methyltriethoxysilan CH3-Si(OEt)3. Das Silan 6 liegt bevorzugt in einem Lösungsmittel gelöst vor, wobei das Lösungsmittel ein Alkohol wie Propanol sein kann. Eine Temperatur T1 des gelösten Silans 6 liegt unterhalb eines Siedepunktes des Lösungsmittels, zum Beispiel zwischen einschließlich 60°C und 80°C, insbesondere um 70°C.
  • Weiterhin wird dem Silan 6 Wasser und optional ein Katalysator 40, beispielsweise eine Säure wie verdünnte Salzsäure, zugegeben, wobei bevorzugt die Temperatur T2 vorliegt. Die Temperatur T2 ist insbesondere kleiner als die Temperatur T1 und liegt zum Beispiel zwischen einschließlich 10°C und 30°C, insbesondere bei zirka 20°C oder bei Raumtemperatur. Durch die Zugabe des Wassers und optional des Katalysators 40 erfolgt eine Hydrolyse des Silans 6 und eine Kondensation, insbesondere eine Polykondensation des Silans 6 zu einem polymeren Alkylsiloxan. Ein durch die Kondensation erzielter Kondensationsgrad liegt insbesondere zwischen einschließlich 50% und 90%, bevorzugt zwischen einschließlich 70% und 80% In einem Schritt D) liegt die Temperatur T3 vor. Die Temperatur T3 ist insbesondere kleiner als die Temperatur T2 und liegt insbesondere zwischen einschließlich 0°C und 5°C, zum Beispiel um 3°C. Nach der Kondensation liegt eine Viskosität des Alkylsiloxans bevorzugt in der Größenordnung von 1 mPas.
  • Im Schritt C) wird ein flüssiges Gemisch aus einer Metallverbindung 5 mit der allgemeinen Formel (II) Xm-M-(OR')k-m und einem Komplexierungsmittel 4 sowie optional dem Lösungsmittel zugegeben. Durch das Komplexierungsmittel 4 werden Metallkomplexe, zum Beispiel Chelate, mit Metallatomen M aus der Metallverbindung 5 mit der allgemeinen Formel (II) gebildet, so dass ein Ausfällen der Metallatome M unterdrückt und ein Einbau der Metallatome M in das Silikon-Hybridmaterial während der Kondensation nach Zugabe des Gemisches möglich ist.
  • Das Komplexierungsmittel 4 enthält beispielsweise Propionsäure. Bei dem organischen Rest R' handelt es sich bevorzugt um eine Alkylgruppe. Die Gruppe OR' ist hydrolysierbar. Der organische Rest X ist zum Beispiel eine Alkylgruppe oder eine Arylgruppe. Die Metallverbindung 5 ist zum Beispiel Titanisopropoxid Ti(O-i-Pr)4. Während oder nach dem Zugeben des Gemisches aus der Metallverbindung 5 und dem Komplexierungsmittel 4 liegt optional die höhere Temperatur T4, die höher ist als die Temperatur T3 und beispielsweise zwischen einschließlich 3°C und 10°C beträgt, vor.
  • Im Schritt B) wird das gebildete Silikon-Hybridmaterial verfestigt beziehungsweise ausgehärtet. Das Verfestigen erfolgt über ein Entziehen des Lösungsmittels und alternativ oder zusätzlich über das Ausbilden weiterer, chemischer Bindungen in dem Silikon-Hybridmaterial. Eine Formgebung des Optikkörpers 3 erfolgt vor dem Schritt B) zum Beispiel über ein Gießen oder ein Spritzgießen, das in 4 nicht gezeigt ist.
  • Beispielsweise werden für ein Silikon-Hybridmaterial, ähnlich dem der 7 zugrunde liegenden Silikon-Hybridmaterial, 8,94 g Methyltriethoxysilan bei 70°C dann 2,71 g Wasser mit HCl, pH-Wert 1, zugegeben. Anschließend werden bei 4°C dann zirka 5,5 g Propionsäure sowie zirka 3,0 g Propanol und zirka 3,5 g Titanisopropoxid zugegeben.
  • In 5 ist eine mögliche Struktur des Silikon-Hybridmaterials für den Optikkörper 3 schematisch gezeigt. Das Silikon-Hybridmaterial umfasst ein Netzwerk, das die Grundstruktur eines Silikons aufweist. Erste Knotenpunkte 1 des Netzwerks sind mit Siliziumatomen besetzt. Die Siliziumatome stammen aus dem Silan 6 mit der allgemeinen Formel (I). Zweite Knotenpunkte 2 sind mit Metallatomen M aus der Metallverbindung 5 mit der allgemeinen Formel (II), gemäß 5 also mit Titanatomen, belegt. Die Bindungswertigkeit der Titanatome beträgt vier. Brücken 21 zwischen den Knotenpunkten 1, 2, die in beliebiger Abfolge vorliegen können, sind durch Sauerstoffatome gebildet. Die Titanatome auf den zweiten Knotenpunkten 2 sind homogen über das gesamte Netzwerk verteilt, Konzentrationsschwankungen treten nur im Rahmen statistischer Abweichungen auf. Weiterhin ist das Silikon-Hybridmaterial amorph, sodass keine Fernordnung zwischen den Atomen des Silikon-Hybridmaterials besteht.
  • An einem Teil der Siliziumatome der ersten Knotenpunkte 1 sind die organischen Reste Y aus dem Silan 6 mit der allgemeinen Formel (I) verblieben. Bei den Resten Y handelt es sich zum Beispiel um Methylgruppen, Ethylgruppen, Propylgruppen oder um Phenylgruppen. Anders als in 5 dargestellt, können sich auch an den Metallatomen an den zweiten Knotenpunkten 2 aus der Metallverbindung 5 mit der allgemeinen Formel (II) die organischen Reste X befinden.
  • In 6A ist eine weitere mögliche Struktur des Silikon-Hybridmaterials illustriert. Die ersten Knotenpunkte 1 des Netzwerks, besetzt mit den Siliziumatomen aus dem Silan 6 mit der allgemeinen Formel (I), sind durch die Brücken 21, gebildet durch Sauerstoffatome, miteinander verknüpft. In Zwischenräumen des Netzwerks befinden sich Metallkomplexe K1, die zum Beispiel wie in 6B dargestellt aufgebaut sind. Der Metallkomplex K1 kann ein Chelat sein, insbesondere gebildet aus dem Komplexierungsmittel 4 und dem Metallatom M aus der Metallverbindung 5. Gemäß 6B ist der Metallkomplex K1 ein Titan-Chelatkomplex. So ist ein zentrales Titankation von drei oder, siehe 6A, von zwei mehrzähnigen Propionsäureanionen umgeben. Es ist möglich, dass mindestens einer der Metallkomplexe K1, K2 über eine oder mehrere kovalente Bindungen an das Netzwerk angebunden ist.
  • Abweichend von der Darstellung gemäß 5 oder 6 können sich auch Metalloxid-Partikel K, gemäß 6C aus Titanoxid, in dem Netzwerk während des Verfahrens gemäß 4 ausbilden. Die Metalloxid-Partikel K können über eine oder über mehrere kovalente Bindungen an das Netzwerk angebunden sein.
  • Darüber hinaus können Mischformen der Strukturen gemäß der 5 und 6 auftreten, wobei das Netzwerk in Zwischenräumen Metallkomplexe und/oder Metalloxid-Partikel aufweist und bei dem ebenso die zweiten Knotenpunkte 2 mit den Metallatomen M aus der Metallverbindung 5 mit der allgemeinen Formel (II) besetzt sind.
  • In 7 ist schematisch eine Transmission t in Prozent gegenüber einer Wellenlänge λ in Nanometer eines Ausführungsbeispiels des Optikkörpers 3 dargestellt. Die Transmission t ist nicht auf Reflexionsverluste an Grenzflächen des Optikkörpers 3 korrigiert. Eine Dicke des zugehörigen Optikkörpers 3 beträgt zirka 520 μm.
  • 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.
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2009 047 879.5 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines ein strahlungsdurchlässiges Silikon-Hybridmaterial umfassenden Optikkörpers (3) mittels eines Sol-Gel-Verfahrens mit den Schritten: A) Hydrolyse und Kondensation eines Silans (6) oder einer Mischung verschiedener Silane (6) gemäß der allgemeinen Formel (I) Yn-Si-(OR)4-n unter Anwesenheit einer Metallverbindung (5) oder einer Mischung verschiedener Metallverbindungen (5) gemäß der allgemeinen Formel (II) Xm-M-(OR')k-m, und B) Verfestigen des Kondensats aus Schritt A), wobei – R und R' jeweils für organische Reste stehen, die unabhängig voneinander gewählt sein können, wobei OR und OR' hydrolysierbare Gruppen sind, – X und Y jeweils für Wasserstoff oder für organische Reste stehen, die unabhängig voneinander gewählt sein können, – M für ein Metallatom steht und k die Bindungswertigkeit des Metallatoms darstellt mit 2 ≤ k ≤ 4, und – k, m, n ganze Zahlen sind mit 0 ≤ n ≤ 2 und mit 0 ≤ m < k.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem im Schritt A) dem Silan (6) ein Lösungsmittel und Wasser sowie optional ein Katalysator (40) zugegeben wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor oder in dem Schritt A) in einem Schritt C) dem Silan (6) ein flüssiges Gemisch aus der Metallverbindung (5) und einem Komplexierungsmittel (4) für das Metall M sowie optional dem Lösungsmittel zugegeben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt A) oder vor dem Schritt C) in einem Schritt D) eine Verfahrenstemperatur (T) abgesenkt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Komplexierungsmittel (4) nach dem Schritt B) noch teilweise in dem Silikon-Hybridmaterial vorhanden ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Schritt B) ein Gewichtsanteil von X und Y an einem Gesamtgewicht des Silikon-Hybridmaterials zwischen einschließlich 5% und 40% liegt.
  7. Optikkörper (3) mit einem amorphen Silikon-Hybridmaterial, der mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche herstellbar ist, wobei ein mittlerer optischer Brechungsindex des Silikon-Hybridmaterials des Optikkörpers (3) mindestens 1,4 beträgt.
  8. Optikkörper (3) mit einem amorphen Silikon-Hybridmaterial, das ein Netzwerk mit Knotenpunkten (1, 2) umfasst, die über mindestens eine Sauerstoffbrücke (21) miteinander verbunden sind, und sich an ersten Knotenpunkten (1) des Netzwerks Siliziumatome befinden, wobei ein mittlerer optischer Brechungsindex des Silikon-Hybridmaterials des Optikkörpers (3) mindestens 1,4 beträgt, und wobei der Optikkörper zumindest ein Merkmal oder eine beliebige Kombination der folgenden drei Merkmale aufweist: – an zweiten Knotenpunkten (2) des Netzwerks befinden sich Metallatome M, – in Zwischenräumen des Netzwerks befinden sich Metallkomplexe mit den Metallatomen M, – in den Zwischenräumen des Netzwerks befinden sich Metalloxid-Partikel mit den Metallatomen M.
  9. Optikkörper (3) nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Metallatome M durch mindestens eines der folgenden Elemente oder durch eine beliebige Kombination gebildet sind: Barium, Lanthan, Titan, Zink, Zinn, Zirkonium.
  10. Optikkörper (3) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem ein Anteil der Metallatome M an dem Silikon-Hybridmaterial des Optikkörpers (3) zwischen einschließlich 2 Atom-% und 80 Atom-% liegt, wobei der Anteil bestimmt ist als die Anzahl der Metallatome M des Silikon-Hybridmaterials geteilt durch die Summe aus der Anzahl der Metallatome M des Silikon-Hybridmaterials und der Anzahl der Siliziumatome auf den ersten Knotenpunkten (1).
  11. Optikkörper (3) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, der frei ist von optisch inaktiven Metalloxid-Partikeln mit Durchmessern zwischen einschließlich 1 nm und 1 μm.
  12. Optikkörper (3) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem das Silikon-Hybridmaterial im sichtbaren Spektralbereich eine optische Dichte von höchstens 0,2 aufweist, gerechnet auf eine Dicke des Silikon-Hybridmaterials von 1 mm.
  13. Optoelektronisches Bauteil (10) mit – einem Träger (11), – mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (12), der an dem Träger (11) angebracht ist, und – mindestens einem Optikkörper (3) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Optikkörper (11) dem Halbleiterchip (12) nachgeordnet ist.
  14. Optoelektronisches Bauteil (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Optikkörper (11) Partikel eines Konversionsmittels (8) umfasst, wobei das Konversionsmittel (8) dazu eingerichtet ist, eine von dem Halbleiterchip (12) emittierte Strahlung mindestens teilweise zu absorbieren und in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, und wobei ein mittlerer Brechungsindexunterschied zwischen dem Silikon-Hybridmaterial und den Partikeln des Konversionsmittels (8) höchstens 0,5 beträgt.
  15. Optoelektronisches Bauteil (10) nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Optikkörper (3) entweder über ein Verbindungsmittel (13) an dem Halbleiterchip (12) befestigt oder bei dem der Optikkörper (3) unmittelbar an den Halbleiterchip (12) formschlüssig angeformt ist, wobei ein mittlerer Brechungsindexunterschied zwischen dem Halbleiterchip (12) und dem Silikon-Hybridmaterial des Optikkörpers (3) höchstens 1,0 beträgt, und wobei der Optikkörper (3) eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist: – der Optikkörper (3) ist ein strahlformendes Element, – der Optikkörper (3) ist plättchenartig geformt, – der Optikkörper (3) ist eine Verbindungsmittelschicht, – der Optikkörper (3) bildet, zusammen mit dem Träger (11), eine Verkapselung des Halbleiterchips (12).
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