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Es wird ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben.
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Optoelektronische Bauelemente, beispielsweise LEDs, weisen Gehäuse auf. Diese werden nach bislang bekannten Verfahren in getrennten Formgebungsverfahren, beispielsweise durch Spritzguss oder mittels eines Dünnschicht-/Dickschichtbasierten Verfahrens, hergestellt.
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Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der Erfindung ist die Bereitstellung eines optoelektronischen Bauelements, das ein verbessertes Gehäuse aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Aufgabe zumindest einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit einem Gehäuse, das einfach auszuführen ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Weitere Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
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Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben, das ein Substrat, einen Licht emittierenden Chip auf dem Substrat und ein den Licht emittierenden Chip seitlich umgebendes Gehäuse auf dem Substrat aufweist. Zwischen Seitenwänden des Licht emittierenden Chips und dem Gehäuse kann ein Abstand von weniger als 2 μm vorhanden sein. Damit wird ein optoelektronisches Bauelement bereitgestellt, dessen Gehäuse einen verkleinerten Abstand zu den Seitenwänden des Licht emittierenden Chips hat. Der Abstand zwischen Chip und Gehäuse kann auch aus einem Bereich ausgewählt sein, der 10 nm bis weniger als 2 μm umfasst.
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Das Gehäuse kann ein Material aufweisen, das eine Matrix und einen Füllstoff umfasst. Die Matrix kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Silikon, ungesättigte Polyester und Epoxidharz umfasst. Der Füllstoff kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die ZrO2, ZnO, BaSO4 und TiO2 umfasst. Der Füllgrad des Füllstoffs in der Matrix kann größer 20 Gew%, beispielsweise 25 bis 30 Gew% sein. Somit umfasst das Gehäuse ein Material, das in flüssigem Zustand aufgebracht werden kann und aushärtbar ist. Dadurch kann die Ausformung des Gehäuses während seiner Herstellung vereinfacht werden. Der Füllstoff kann gleichmäßig in der Matrix verteilt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Gehäuse von dem Chip emittiertes Licht reflektieren. Damit wird also ein Gehäuse eines optoelektronischen Bauelements bereitgestellt, das zugleich als Reflektor dient. Die reflektiven Eigenschaften sind durch den Füllstoff, beispielsweise TiO2 Partikel, gegeben. Der Füllstoff, beispielsweise TiO2 Partikel, kann diffus reflektierende Eigenschaften haben. Ist das Gehäuse zudem so ausgeformt, dass es eine vom Substrat abgewandte abgerundete Oberfläche hat, kann es in Zusammenwirkung mit dem Füllstoff eine gute Farbhomogenität über den gesamten Betrachtungswinkel erzeugen. Weiterhin kann durch das Material des Gehäuses, beispielsweise TiO2 gefülltes Silikon, die Auskoppeleffizienz eines optoelektronischen Bauelements gesteigert werden, da dieses Gehäusematerial eine Reflektivität von bis zu 95% aufweist. Damit werden Verluste an emittiertem Licht gering gehalten. Insbesondere wenn der Licht emittierende Chip seitlich Licht emittiert, kann dieses durch das Gehäuse reflektiert werden und somit die Auskoppeleffizienz gesteigert werden.
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Der Licht emittierende Chip kann ein LED-Chip sein. Insbesondere kann auch ein Saphirchip eingesetzt werden. Damit kann die Kombination aus Saphirchip und TiO2 haltigenm Reflektor bereitgestellt werden.
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Unter Saphirchip ist in diesem Zusammenhang ein LED-Chip zu verstehen, der ein Substrat, das Al2O3 umfasst, aufweist. Auf diesem Substrat sind dann weitere funktionelle Schichten angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben, das ein Gehäuse aufweist, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- A) Beschichtung zumindest eines ersten Teilbereichs eines Substrats mit einer nicht benetzbaren Schicht,
- B) Beschichtung zumindest eines Licht emittierenden Chips mit einer nicht benetzbaren Schicht,
- C) Aufbringen des Licht emittierenden Chips auf einem zweiten Teilbereich des Substrats, der frei von der benetzbaren Schicht ist,
- D) Aufbringen eines flüssigen Gehäusematerials auf dem Substrat,
- E) Härten des Gehäusematerials,
wobei sich im Verfahrensschritt D) das Gehäusematerial zwischen dem zumindest einen ersten Teilbereich und Seitenwänden des Licht emittierenden Chips auf dem Substrat zu einem Gehäuse formt, das im Verfahrensschritt E) gebildet wird.
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Damit wird ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben, dessen Gehäuse durch Selbstorganisation eines flüssigen Gehäusematerials, das zwischen einem Licht emittierenden Chip und einer nicht benetzbaren Schicht aufgebracht wird, ausgebildet wird. In den Verfahrensschritten A) und B) können somit erste Teilbereiche des Substrats, beispielsweise Sägespuren und Randbereiche, sowie ein Licht emittierender Chip mit der nicht benetzbaren Schicht beschichtet werden. Die nicht benetzbare Schicht kann mit einer Dicke von weniger als 2 μm aufgebracht werden. Beispielsweise kann sie mit einer Dicke aufgebracht werden, die aus einem Bereich ausgewählt ist, der 10 nm bis weniger als 2 μm umfasst.
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Ein Überlaufen des flüssigen Gehäusematerials über den Chip wird durch die nicht benetzbare Beschichtung des Chips vermieden. Somit bildet sich ein Gehäuse auf dem Substrat nur dort, wo keine nicht benetzbare Schicht vorhanden ist, aus.
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Unter Sägespuren sind die Bereiche des Substrats zu verstehen, in denen das Substrat geteilt werden kann, um mehrere Substrate mit jeweils einem Chip und einem Gehäuse zu erhalten.
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Unter Randbereichen sind die Bereiche zu verstehen, die den zweiten Teilbereich umgeben, auf dem ein Chip aufgebracht wird, so dass der Chip auf einem nicht beschichteten Bereich aufgebracht wird, und von einer nicht benetzbaren Schicht auf dem Substrat umgeben ist.
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Der Licht emittierende Chip wird dabei insbesondere an den Seitenwänden sowie an seiner Oberseite, die nach Aufbringung des Chips von dem Substrat abgewandte Seite, mit der nicht benetzbaren Schicht beschichtet, während die Unterseite, die nach Aufbringung des Chips dem Substrat zugewandte Seite, frei von der nicht benetzbaren Schicht ist. Dazu kann die Unterseite, die von der nicht benetzbaren Schicht frei bleiben soll, während der Beschichtung des Chips beispielsweise mit einer Folie geschützt werden.
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Mit diesem Verfahren können auch mehrere optoelektronische Bauelemente gleichzeitig hergestellt werden. Dazu werden mehrere erste Teilbereiche mit der nicht benetzbaren Schicht beschichtet und im Verfahrensschritt D) mehrere Licht emittierende Chips auf zweiten Teilbereichen des Substrats, die frei von der benetzbaren Schicht sind, aufgebracht. Die ersten Teilbereiche können insbesondere eine symmetrische Anordnung auf dem Substrat aufweisen, beispielsweise ein Gitternetz auf dem Substrat bilden. In den zweiten Teilbereichen, die somit Quadrate innerhalb von ersten Teilbereichen darstellen, können Licht emittierende Chips aufgebracht werden. Dabei weisen die Chips einen kleineren Durchmesser auf, als die durch die ersten Teilbereiche vorgegebenen quadratischen zweiten Teilbereiche. Zwischen den Chips und den ersten Teilbereichen wird dann jeweils flüssiges Gehäusematerial aufgebracht, so dass im fertig gestellten Bauelement jeder Chip auf dem Substrat ein Gehäuse aufweist.
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Der zumindest eine Licht emittierende Chip kann auf eine Metallisierung, die sich in zweiten Teilbereichen des Substrats befindet, aufgebracht werden. Bei der Metallisierung kann es sich um eine Metallschicht handeln, deren Durchmesser mindestens so groß ist wie der Durchmesser des Chips, und kleiner ist als der Durchmesser des zweiten Teilbereichs, der von der nicht benetzbaren Schicht des ersten Teilbereichs begrenzt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der zumindest eine Licht emittierende Chip im Verfahrensschritt C) auf das Substrat bzw. auf die Metallisierung beispielsweise geklebt oder gelötet.
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Es wird ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bereitgestellt, da das Gehäusematerial in diesem Verfahren im Batchverfahren aufgebracht werden kann.
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Mit dem Verfahren kann ein Bauelement gemäß den obigen Ausführungen hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in einem Verfahrensschritt F), der dem Verfahrensschritt E) folgt, die nicht benetzbare Schicht entfernt werden. Die Entfernung der nicht benetzbaren Schicht kann mit einem Mittelerfolgen, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die O2-Plasma, CF4-Plasma, Ar-Plasma und Isopropanol umfasst. Damit können die Oberflächen des Licht emittierenden Chips mit weiteren Schichten beziehungsweise Bauteilen versehen werden.
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Weiterhin ergibt sich somit ein Abstand zwischen dem Gehäuse und dem Licht emittierenden Chip, der durch die Dicke der entfernten nicht benetzbaren Schicht vorgegeben ist. Somit kann ein sehr geringer Abstand zwischen Gehäuse und Seitenwänden des Chips erzeugt werden.
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Beispielsweise kann über einem Licht emittierenden Chip ein Lichtauskoppelkörper aufgebracht werden, der beispielsweise auf dem den Chip umgebenden Gehäuse aufliegt. Die Gehäusewand bildet bei der Herstellung des Lichtauskoppelkörpers eine geeignete Stopperkante für beispielsweise dispensbare oder screenprintbare Materialien, mit denen beispielsweise Auskoppellinsen aus transparentem oder phosphorgefülltem Material erzeugt werden.
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Somit kann in einem weiteren Verfahrensschritt ein flüssiges Material zur Ausformung eines Lichtauskoppelkörpers, der entweder transparent oder phosphorgefüllt sein kann, hergestellt werden. Dies wird auch durch die Form der von dem Substrat abgewandten Oberfläche des Gehäuses begünstigt, welche aufgrund der Selbstorganisation des flüssigen Gehäusematerials rund ausgebildet ist.
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Die nicht benetzbare Schicht in den Verfahrensschritten A) und B) kann ein Material aufweisen, das hydrophob ist. Das Material kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die fluoriertes Silikon, Polytetrafluorethylen oder Derivate davon umfasst. Diese Materialien können mit Mitteln gemäß den obigen Ausführungen nach dem Aushärten des Gehäusematerials gut entfernt werden. Somit wird eine temporäre, strukturierbare, nicht benetzbare Schicht bereitgestellt, die für die Herstellung des Gehäuses verwendet wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in einem dem Verfahrensschritt F) folgenden Verfahrensschritt G) das Substrat im Bereich des zumindest einen ersten Teilbereichs geteilt werden. Die Teilung erfolgt also nach der Entfernung der nicht benetzbaren Schicht, sodass nur ein Material, das des Substrats, durchtrennt werden muss. Damit wird der Vereinzelungsprozess, wenn mehrere Bauelemente hergestellt werden sollen, optimiert. Der erste Teilbereich kann also eine Sägespur darstellen.
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Das Substrat kann ein PCB (Printed circuit board), eine Keramik, eine Leiterplatte oder eine Aluminiumschicht sein.
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Das Gehäusematerial im Verfahrensschritt D) kann mit einer Methode aufgebracht werden, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Screenprinting, Spincoating, Sprühen, Jetten, Dispensen oder Gießen umfasst. Mit diesen Methoden kann das Gehäusematerial mittels eines Batchverfahrens aufgebracht werden.
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Die nicht benetzbare Schicht kann in den Verfahrensschritten A) und B) mittels Photolithographie aufgebracht werden. Je nachdem, was für eine Form das flüssige Gehäusematerial annehmen soll, kann der Benetzungswinkel mit dieser Methode eingestellt werden. Beispielsweise kann eine kugelähnliche Form der von dem Substrat abgewandten Oberfläche des Gehäuses ausgebildet werden. Dabei dienen nicht benetzbare Bereiche, also erste Teilbereiche auf dem Substrat, sowie der beschichtete Chip, als Stopperkanten für das flüssige Gehäusematerial. Der Benetzungswinkel kann dabei von der Polarität der Oberflächengruppen der nicht benetzbaren Schicht sowie von der Rauhigkeit der nicht benetzbaren Schicht abhängen.
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Im Verfahrensschritt D) kann ein Gehäusematerial aufgebracht werden, das eine Matrix und einen Füllstoff umfasst. Beispielsweise kann die Matrix ein Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Silikon, ungesättigte Polyester und Epoxidharz umfasst. Als Füllstoff kann beispielsweise ZnO, ZrO2, BaSO4 oder TiO2 ausgewählt werden. Der Füllstoff kann in der Matrix mit einem Gehalt von mehr als 20 Gew% vorhanden sein. Damit wird ein reflektierender Füllstoff bereitgestellt, der dem Gehäuse des Bauelements reflektive Eigenschaften verleiht. Damit ist das Gehäuse des Bauelements gleichzeitig ein Reflektor. Das Gehäuse beziehungsweise der Reflektor werden durch Selbstausformung mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Durch geeignete Auswahl des Materials des Gehäuses kann das Gehäuse auch als Isolation für einen Oberflächenkontakt, beispielsweise ein CPHF-Kontakt (CPHF: compact planar high flux), dienen.
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Im Verfahrensschritt B) kann ein LED-Chip beschichtet werden. Damit wird ein Verfahren zur Herstellung von LEDs mit Gehäusen bereitgestellt. Dieses Verfahren eignet sich für LED-Chips mit zwei rückseitigen Kontakten, für LED-Chips mit Topkontakten sowie für Saphirchips, die beispielsweise mittels CPHF-Kontakten kontaktiert werden können. Beispielsweise kann ein LED-Chip mit zwei Bodenkontakten durch das Verfahren hergestellt werden, bei dem sowohl das Gehäuse beziehungsweise der Reflektor als auch ein Auskoppelkörper durch Selbstausformung hergestellt werden kann.
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Anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden.
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1a) bis d) schematische Seitenansicht der Herstellung eines optoelektronischen Bauelements,
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2a) bis e) schematische dreidimensionale Seitenansicht der Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.
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1 zeigt die schematische Seitenansicht der Herstellung eines optoelektronischen Bauelements am Beispiel einer LED.
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In 1a) ist das Substrat 10 gezeigt, das beispielsweise ein PCB, ein Keramiksubstrat, eine Leiterplatte oder eine Aluminiumplatte sein kann. Auf dem Substrat 10 sind in ersten Teilbereichen 11 nicht benetzbare Schichten 30 angeordnet. Diese befinden in diesem Beispiel im Sägespurbereich zur späteren Teilung des Substrats 10. Weiterhin sind auf dem Substrat Metallisierungen 15 vorhanden, auf die jeweils ein Licht emittierender LED-Chip 20 aufgebracht ist. Diese befinden sich auf zweiten Bereichen 12 des Substrats 10.
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Am Beispiel der 1 wird die Herstellung von zwei LEDs gezeigt, mit dem Verfahren kann jedoch auch nur ein LED-Chip 20 beziehungsweise mehrere LED-Chips 20 auf einem Substrat 10 aufgebracht werden. Der LED-Chip 20 ist auch mit einer nicht benetzbaren Schicht 30 beschichtet, und zwar an den Seitenrändern sowie auf der von dem Substrat 10 abgewandten Oberseite des Chips.
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Die nicht benetzbare Schicht 30 kann ein fluoriertes Silikon, Polytetrafluorethylen oder Derivate davon umfassen. Die Beschichtung des LED-Chips 20 und des Substrats 10 mit der nicht benetzbaren Schicht 30 kann beispielsweise durch Photolithographie erfolgen. Die Beschichtung der LED-Chips 20 erfolgt vor ihrem Aufbringen auf das Substrat 10 und nach ihrem Vereinzeln aus dem Waferbund. Die LED-Chips 20 werden auf das Substrat beziehungsweise auf die Metallisierung 15 geklebt oder gelötet.
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In 1b) ist weiterhin das Gehäuse 40 gezeigt. Dieses wird als flüssiges Gehäusematerial aufgebracht und formt sich aufgrund der nicht benetzenden Eigenschaften der nicht benetzbaren Schicht 30 zwischen Seitenwänden des LED-Chips 20 und den mit der nicht benetzbaren Schicht 30 beschichteten zweiten Teilbereichen 12 auf dem Substrat. Durch Einstellung des Benetzungswinkels werden Gehäuse mit einer von dem Substrat abgewandten runden Oberfläche ausgebildet. Durch den symmetrischen Aufbau der nicht benetzbaren Bereiche (in den 1a bis 1d nicht sichtbar) formt sich das Gehäuse in benetzbaren Bereichen, den zweiten Teilbereichen 12 auf dem Substrat 10.
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Das Aufbringen des flüssigen Gehäusematerials kann beispielsweise durch Screenprinting, Spincoating, Sprayen, Jetten, Dispensen oder Gießen erfolgen. Das Gehäusematerial kann eine Matrix und einen Füllstoff aufweisen. Die Matrix ist beispielsweise Silikon oder Epoxidharz, der Füllstoff beispielsweise TiO2.
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Damit hat das Gehäusematerial auch reflektierende Eigenschaften, womit das Gehäuse 40 auch als Reflektor für Licht, das der LED-Chip 20 emittiert, fungiert. Nach dem Aufbringen des flüssigen Gehäusematerials wird das Gehäusematerial gehärtet, beispielsweise bei einer Temperatur von 150°C.
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1c) zeigt das gehärtete Gehäuse 40, das die LED-Chips 20 umgibt, nachdem die nicht benetzbare Schicht 30 entfernt worden ist. Somit befindet sich keine nicht benetzbare Schicht mehr auf den LED-Chips 20 und in den ersten Teilbereichen des Substrats 10. Die Entfernung der nicht. benetzbaren Schicht 30 kann beispielsweise mittels O2-Plasma, CF4-Plasma, Ar-Plasma und/oder Isopropanol erfolgen.
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Der Abstand zwischen dem Gehäuse 40 und dem LED-Chip 20 ist nur so groß wie die Dicke der entfernten nicht benetzbaren Schicht 30.
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Durch die Entfernung der nicht benetzbaren Schicht 30 wird das Aufbringen weiterer Bauteile oder Schichten ermöglicht. Dies ist in 1d) gezeigt, wo beispielhaft eine Auskoppellinse 50 über dem LED-Chip 20 und zwischen zwei Gehäusewänden 40 aufgebracht ist. Die Auskoppellinse 50 kann ebenso als flüssiges Material aufgebracht werden, sich zwischen Gehäusewänden, die als Stopperkanten dienen, selbst ausformen und danach gehärtet werden. Eine Auskoppellinse kann transparent sein und somit die emittierte Strahlung beziehungsweise das emittierte Licht nur auskoppeln, oder sie kann mit Phosphormaterialien gefüllt sein, sodass das emittierte Licht zu einer anderen Wellenlänge konvertiert werden kann. Durch das Vorhandensein des reflektierenden Gehäuses 40 wird die Auskoppeleffizienz des Bauelements in jedem Fall erhöht.
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Mit diesem Verfahren kann auch ein Saphirchip zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements verarbeitet werden.
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2 zeigt das Herstellungsverfahren in schematischer Seitenansicht in dreidimensionaler Form. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Elemente, wie in 1.
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In 2 sind beispielhaft vier Licht emittierende LED-Chips 20 auf einem Substrat 10 aufgebracht, siehe 2b).
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In 2a) ist das Substrat 10 gezeigt, auf dem in ersten Teilbereichen 11 eine nicht benetzbare Schicht 30 aufgebracht ist, und in zweiten Teilbereichen 12, die frei von der nicht benetzbaren Schicht ist, Metallisierungen 15 aufgebracht sind. Die Metallisierungen haben einen geringeren Durchmesser als der zweite Teilbereich, der zwischen dem ersten mit einer nicht benetzbaren Schicht versehenen Teilbereich vorhanden ist. Somit ist der zweite Teilbereich teilweise frei von Metallisierungen 15. Aufgrund der symmetrischen Anordnung des ersten Teilbereichs 11, ist der zweite Teilbereich 12 quadratisch ausgeformt.
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Auf die Metallisierungen 15 werden LED-Chips 20 mit zwei Kontakten 25 aufgebracht (2b). Anschließend wird flüssiges Gehäusematerial auf die zweiten Teilbereiche, zwischen die nicht benetzbare Schicht 30 und die LED-Chips 20 aufgebracht, wie in 2c) gezeigt. Durch Selbstausformung bildet sich ein Gehäuse 40, das durch Aushärten fertig gestellt wird. Anschließend wird die nicht benetzbare Schicht 30 von dem Substrat 10 und den LED-Chips 20 entfernt.
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In 2d) ist gezeigt, wie zwischen das Gehäuse 40 über den LED-Chips 20 eine Auskoppellinse 50 zur Auskopplung des emittierten Lichts aufgebracht ist. Diese kann ebenfalls durch Selbstausformung erzeugt werden, in dem das Gehäuse 40 als Stopperkante dient und zur Selbstausformung des flüssig aufgebrachten Materials der Auskopplungslinse hilfreich ist.
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Schließlich ist in 2e) eine beispielhafte Kontaktierung 60 gezeigt, die die einzelnen LED-Chips 20 kontaktiert. Es kann sich wie hier um eine CPHF-Kontaktierung handeln. Das Substrat 10 kann in den Bereichen, in denen eine nicht benetzbare Schicht 30 vorhanden war, also den ersten Teilbereichen, getrennt werden und somit mehrere Bauelemente mit jeweils einem LED-Chip 20 bereitgestellt werden.
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Damit wird ein vereinfachtes Herstellungsverfahren angegeben, das die Selbstausformung eines Gehäuses 40, sowie das Vereinzeln nur eines einzigen Materials, nämlich das des Substrats 10, ermöglicht.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind auch Kombinationen davon und Ausgestaltungen umfasst, auch wenn diese nicht explizit in den Ausführungsbeispielen oder den Ansprüchen angegeben sind.
