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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements und ein optoelektronisches Bauelement.
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Ein optoelektronisches Bauelement weist einen Halbleiterchip auf. Auf und/oder um den Halbleiterchip ist Konversionsmaterial aufgebracht. Der Halbleiterchip emittiert Primärlicht, beispielsweise blaues Licht. Das Konversionsmaterial weist Leuchtstoffpartikel auf, die in einem Matrixmaterial eingebracht sind. Die Leuchtstoffpartikel wandeln kurzwelliges Primärlicht in längerwelliges Sekundärlicht, beispielsweise gelbes Licht. Das Mischlicht aus Primärlicht und Sekundärlicht kann weißes Licht ergeben. Die beim Betrieb des optoelektronischen Bauelements in den Leuchtstoffpartikeln erzeugte Wärme (sog. Stokes-Shift) kann das Matrixmaterial schädigen, wenn die Wärme nicht oder nur eingeschränkt an den Halbleiterchip abgegeben werden kann. In den folgenden Verfahren kann die Wärme nur eingeschränkt an den Halbleiterchip abgegeben werden. Die Leuchtstoffpartikel sind im Mittel zu weit vom Halbleiterchip entfernt, um eine ausreichende Entwärmung zu gewährleisten.
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Beim Volumenverguss, bei dem Leuchtstoffpartikel homogen in einem Verguss aus einem Matrixmaterial verteilt sind, ist die hohe thermische Belastung des Matrixmaterials durch die in den Leuchtstoffpartikeln erzeugte Wärme nachteilhaft. Zudem muss eine Kavität, in der der Halbleiterchip anordnenbar ist, vorhanden sein.
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Alternativ zum Volumenverguss kann über dem mit klarem Matrixmaterial vergossenen Halbleiterchip eine große Linse, insbesondere aus Silikon, angeordnet werden. Die Leuchtstoffpartikel sind in der Linse eingebracht und deshalb relativ weit von dem Halbleiterchip entfernt. Auch hier sind die thermischen Eigenschaften nachteilig, da die Wärme nur eingeschränkt an den Halbleiterchip abgeführt werden kann. Das Silikon in der großen Linse wird durch die Leuchtstoffpartikel stark erhitzt. Das Silikon versprödet.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements, sowie ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, bei dem die in den Leuchtstoffpartikeln erzeugte Wärme effektiv an den Halbleiterchip abgegeben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12 gelöst.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des elektronischen Bauelements und des Verfahrens zur Herstellung des elektronischen Bauelements sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Beispielhafte Ausführungsformen
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Verschiedene Ausführungsformen weisen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements auf. Zunächst wird eine Kavität bereitgestellt. Anschließend wird in die Kavität ein flüssiges Matrixmaterial eingebracht. Im Matrixmaterial sind Leuchtstoffpartikel eingebracht. Anschließend wird ein Halbleiterchip in das Matrixmaterial eingebracht. Anschließend werden die Leuchtstoffpartikel im Matrixmaterial sedimentiert Anschließend wird das Matrixmaterial ausgehärtet. Dabei wird eine Leuchtstoffpartikel aufweisende Konversionsschicht erzeugt. Die Konversionsschicht ist auf dem Halbleiterchip in unmittelbarem Kontakt zum Halbleiterchip angeordnet. Bei der Wellenlängenkonversion erzeugen die Leuchtstoffpartikel Wärme. Dadurch kann sich die im Matrixmaterial sedimentierte Konversionsschicht und das umgebende Matrixmaterial erwärmen. Da die sedimentierte Konversionsschicht in unmittelbarem Kontakt zum Halbleiterchip angeordnet ist, kann diese Wärme besonders effektiv an den Halbleiterchip abgegeben werden. Der Halbleiterchip weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Der Halbleiterchip kann die von den Leuchtstoffpartikeln abgegebene Wärme an ein Substrat abgeben. Weiter kann durch das bündige Abschließen der Konversionsschicht mit dem Halbleiterchip die unerwünschte seitliche Emission von Primärlicht, insbesondere blauem Licht, aus dem optoelektronischen Bauelement verhindert werden. Bei Verwendung von Halbleiterchips, die mit Konversionsschichten (Konversionslayern) bestückt sind, auch Layer-Transfer-Verfahren genannt, bleibt oft ein Spalt zwischen dem Rand des Halbleiterchips und der Konversionsschicht. An diesem Rand kann das Primärlicht in unerwünschter Weise austreten. Bei Volumenemittern, basierend auf Saphir-Chips ist das Layer-Transfer-Verfahren generell nicht möglich.
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Als Matrixmaterial kommt Silikon, Epoxid oder ein Hybrid zum Einsatz. Als Hybride können Silikon-Epoxy oder Silikon-Polyester eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von weichem Silikon mit einem Härtegrad von etwa Shore A 20 bis etwa Shore A 60, bevorzugt von etwa Shore A 40. Weiche Silikone sind weniger anfällig für Rissebildung (höhere Reißdehnung) und üben geringere Kräfte auf den Bonddraht und den Halbleiterchip aus. Vor allem ist es wichtig, dass das Matrixmaterial vor dem Härten sehr niederviskos ist. Dadurch kann erreicht werden, dass Leuchtstoffpartikel in dem Matrixmaterial rasch sedimentieren.
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Das Bilden einer Kavität ist vorteilhaft, da darin auch Halbleiterchips auf verschiedenen Substraten in das Matrixmaterial eingegossen werden können. Als Substrat kann ein printed circuit board, eine Metallkernplatine, Laminate aus einem Stanzband dessen Öffnungen geschlossen sind oder eine Keramik dienen. Die Keramik ist besonders bevorzugt wegen seiner günstigen thermischen Eigenschaften.
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Die Leuchtstoffpartikel können Yttrium Aluminium Granat oder Orthosilikate aufweisen.
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Das Sedimentieren der Leuchtstoffpartikel erfolgt durch Einwirkung der Schwerkraft und/oder Zentrifugalkraft auf die Leuchtstoffpartikel. Das Sedimentieren ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Leuchtstoffpartikel in unmittelbare Nähe zum Halbleiterchip gelangen und sich als eine Konversionsschicht auf dem Halbleiterchip ablagern. Dadurch kann die im Betrieb des Bauelements in den Leuchtstoffpartikeln entstehende Wärme besonders gut an den Halbleiterchip abgeben werden. Das Matrixmaterial ist einer geringen thermooxidativen Belastung ausgesetzt.
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Das Aushärten ist besonders vorteilhaft, da dadurch aus den sedimentierten Leuchtstoffpartikeln eine ortsfeste Konversionsschicht in dem ausgehärteten Matrixmaterial entsteht. Das Aushärten gliedert sich in ein Anhärten während 2 min bis 15 min und ein Nachhärten während 0,5 h bis 4 h. Die Aufspaltung des Aushärtens in Anhärten und Nachhärten ist aus folgendem Grund vorteilhaft. Nach dem Anhärten können die Formen abgenommen werden und für die nächsten Teile wiederverwendet werden. Das Nachhärten kann im Ofen als Batch-Prozess erfolgen. Mit anderen Worten können viele Substrate gleichzeitig in einem einzigen Prozessschritt nachgehärtet werden. Somit sind insgesamt weniger Vergussformen notwendig, was eine Kostenersparnis mit sich bringt.
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Bei bekannten Moldverfahren ist keine Sedimentation möglich. Das Moldverfahren hat hierfür einen zu hohen Durchsatz. Das im Moldverfahren als Matrixmaterial verwendete Silikon wird schnell angehärtet; es bleibt keine Zeit für eine Sedimentation von Leuchtstoffpartikeln. Nach dem Anhärten wird Nachgehärtet bis das Matrixmaterial fest ist. Das Anhärten beim Moldverfahren ergibt 50% bis 60% Shorehärte (Shore A, D) die restliche Härte entsteht durchs Nachhärten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kavität durch die Anordnung von elastischen Seitenwänden auf eine inelastische Platte erzeugt. Die elastischen Seitenwände weisen Silikon, Fluorelastomere, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder ein thermoplastisches Elastomer auf. Die inelastische Platte weist Metall auf. Das Metall kann mit Polytetrafluorethylen (PTFE) anti-haft beschichtet sein. Die elastischen Seitenwände schließen dicht mit der inelastischen Platte ab. Es ist besonders vorteilhaft, dass die Kavität wieder verwendbar ist. Die elastischen Seitenwände und die inelastische Platte lassen sich aus zweierlei Gründen besonders leicht von dem ausgehärteten Matrixmaterial lösen. Erstens können die elastischen Seitenwände und die inelastische Platte mit Teflon oder PTFE beschichtet sein. Zweitens relaxieren die elastischen Seitenwände beim Entfernen der Kavität, wenn der Druck auf sie reduziert wird. Die relaxierten elastischen Seitenwände weisen keinen Kontakt mit dem ausgehärtetem Matrixmaterial auf. Deshalb lassen sich sie sich besonders gut von dem ausgehärteten Matrixmaterial lösen. Die elastischen Seitenwände führen zu gekrümmten Seitenflächen des optoelektronischen Bauelements. Beim Entformen löst sich die Form leicht vom Material, da die elastischen Seitenwände wieder in ihre ursprüngliche gerade Form zurückgehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Substrat mit einem darauf angeordneten Halbleiterchip auf die elastischen Seitenwände der Kavität so aufgebracht, dass der Halbleiterchip zur inelastischen Platte weist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das von dem Substrat, der inelastischen Platte und den elastischen Seitenwänden gebildete Volumen, das mit dem Matrixmaterial gefüllt ist, zusammengepresst. Das Zusammenpressen ist besonders vorteilhaft, da dadurch der gesamte Halbleiterchip vollständig in das flüssige Matrixmaterial eintaucht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Einheit aus Substrat, inelastischer Platte und elastischen Seitenwänden in zusammengepresstem Zustand gedreht. Die Drehung der Einheit erfolgt um eine Achse, die in der zwischen Halbleiterchip und Substrat gebildeten Ebene liegt. Der Drehwinkel beträgt 180°. Diese Drehung ist besonders vorteilhaft, da dadurch ermöglicht wird, dass die Sedimentation der Leuchtstoffpartikel auf den Halbleiterchip erfolgen kann.
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Alternativ zur Kavität aus elastischen Seitenwänden und inelastischer Platte kann die Kavität durch die Anordnung von teilelastischen Seitenwänden auf einem Substrat erzeugt werden. Die teilelastischen Seitenwände schließen dicht mit dem Substrat ab. Auf dem Substrat ist ein Halbleiterchip angeordnet. Das Bilden einer Kavität mit teilelastischen Seitenwänden ist besonders vorteilhaft, da das Verfahren mit besonders wenigen und einfachen Verfahrensschritten realisierbar ist. Die teilelastischen Seitenwände können Teflon, antihaft-beschichtetes Metall oder Thermoplaste aufweisen. Deshalb sind die teilelastischen Seitenwände besonders leicht von dem ausgehärteten Matrixmaterial lösbar. Zudem sind die teilelastischen Seitenwände mehrfach verwendbar.
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Das Entfernen der Kavität ist besonders vorteilhaft, da dadurch an den Seitenflächen des optoelektronischen Bauelements Raum für Materialien für weitere Prozessschritte entsteht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das optoelektronische Bauelement mit einem weiteren Matrixmaterial, in das Streupartikel eingebracht sind, seitlich vergossen. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Streupartikel Primärlicht und Sekundärlicht in das erste Matrixmaterial zurückstreuen. Dieses rückgestreute Licht kann zumindest teilweise aus dem optoelektronischen Bauelement ausgekoppelt werden. Das seitlich vergossene Matrixmaterial weist vorzugsweise hartes Silikon auf. Die Streupartikel können TiO2 aufweisen. Das Silikon, in das die Streupartikel eingebracht sind, ist vorzugsweise härter als das Silikon, in das die Leuchtstoffpartikel eingebracht sind. Der Härtebereich für Silikon mit Streupartikel ist größer als Shore A 60. Das Silikon weist eine hohe Viskosität auf. Durch die hohe Zähigkeit des Silikons wird erreicht, dass die Streupartikel nicht sedimentieren. Nur wenn die Streupartikel auch im ausgehärteten weiteren Matrixmaterial möglichst homogen verteilt sind, wird Licht effektiv ins Matrixmaterial zurückgestreut. Hartes Silikon mit einer Shorehärte von größer als A 60 ist für alle Bereiche einsetzbar, die eine mechanische Funktion des Gehäuses übernehmen sollen oder durch die gesägt werden soll. Auch gemoldete Linsen weisen Material mit einer Shorehärte von größer A 60 auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine abbildende Optik, insbesondere eine Linse, auf das optoelektronische Bauelement aufgebracht. Dies kann nach dem Abziehen der Seitenwände oder nach dem seitlichen Verguss mit einem zweiten Matrixmaterial erfolgen. Die Linse kann durch Übermolden auf das optoelektronische Bauelement aufgesetzt werden. Diese abbildende Optik ist besonders vorteilhaft, da sie Primärlicht und Sekundärlicht einsammelt und in Vorwärtsrichtung bündelt. Vorteilhaft bei Bauelementen mit chipnaher Konversion und einer Linse ist es auch, dass die Konversion der elektromagnetischen Strahlung in einer Fokus-Ebene mit dem Chip erfolgt. Es wird kein Licht in der Linse durch Leuchtstoffpartikel gestreut.
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Das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements ist vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren, die beispielhaft im Folgenden genannt sind.
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Beim Layertransfer wird auf die vom Substrat abgewandte Fläche des Halbleiterchips Leuchtstoff in Form eines konvertergefüllten Plättchens aufgebracht. Das Plättchen kann als Silikonplättchen ausgebildet sein, bei dem der Leuchtstoff in das Silikonplättchen eingebettet ist. Alternativ kann das Plättchen als gesintertes Keramikplättchen ausgebildet sein, bei dem der Leuchtstoff in das Keramikplättchen eingebettet ist. Der Layertransfer ist exemplarisch in
WO2010017831 beschrieben. Beim Layertransfer sind die hohen Kosten sowie die unerwünschte seitliche Emission von Primärlicht, insbesondere von blauem Licht, nachteilhaft.
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Beim Layerprinting wird durch Siebdruck Leuchtstoff auf einen kompletten Wafer aufgetragen. Anschließend werden die optoelektronischen Bauelemente vereinzelt. Das Layerprinting ist exemplarisch in
DE102006061175 . Beim Layerprinting sind die hohen Kosten sowie die schwierige Farbortsteuerung nachteilhaft.
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Verschiedene Ausführungsformen weisen ein optoelektronisches Bauelement mit einem Substrat auf. Auf dem Substrat ist ein Halbleiterchip angeordnet. Auf dem Halbleiterchip ist eine sedimentierte Schicht aus Leuchtstoffpartikeln angeordnet. Der Halbleiterchip wird von einem Körper aus ausgehärtetem Matrixmaterial vollständig einschlossen. Die Konversionsschicht bedeckt die vom Substrat abgewandte Fläche des Halbleiterchips vollständig. Diese Anordnung ist aus mehreren Gründen vorteilhaft. Zum einen kann durch den direkten Kontakt der Konversionsschicht zum Halbleiterchip die in der Konversionsschicht erzeugte Wärme besonders gut an den Halbleiterchip abgegeben werden. Dies verbessert die thermischen Eigenschaften des optoelektronischen Bauelements. Zum anderen wird die Farbhomogenität über den Betrachtungswinkel verbessert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Körper konkav gekrümmte Seitenflächen auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Körper gerade Seitenflächen auf, die senkrecht zum Substrat stehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Konversionsschicht eine homogene Dicke auf. Dies ist vorteilhaft, da dadurch eine einheitliche Intensität von wellenlängenkonvertiertem Sekundärlicht über den Betrachtungswinkel erreicht werden kann. Damit ergibt sich auch ein weißes Mischlicht mit nahezu einheitlicher Farbtemperatur über alle Betrachtungswinkel.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen seitlichen Verguss aus einem zweiten Matrixmaterial mit darin eingebetteten Streupartikeln auf. Als zweites Matrixmaterial kann Silikon zum Einsatz kommen. Als Streupartikel können TiO2-Partikel zum Einsatz kommen. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da das Primärlicht und das Sekundärlicht, das das Bauelement in seitlicher Richtung verlässt in das Bauelement zurückreflektiert wird. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von hoch viskosem Silikon als weiterem Matrixmaterial, da die Streupartikel vor dem Aushärten nicht sedimentieren sollen. Zusätzlich oder alternativ kann die Geschwindigkeit der Sedimentation durch die Größe der Streupartikel beeinflusst werden. Je kleiner die Streupartikel, desto langsamer sedimentieren die Streupartikel. Zusätzlich oder alternativ kann die Sedimentation durch ein sofortiges Härten nach dem Vergießen beeinflusst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der im optoelektronischen Bauelement angeordnete Halbleiterchip auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial basieren. Als Materialsystem kann GaN und InGaN zum Einsatz kommen. Die Halbleiterchips weisen mindestens eine aktive Zone auf, die elektromagnetische Strahlung emittiert. Die aktiven Zonen können pn-Übergänge, Doppelheterostruktur, Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW), Einfach-Quantentopfstruktur (SQW) sein. Quantentopfstruktur bedeutet: Quantentöpfe (3-dim), Quantendrähte (2-dim) und Quantenpunkte (1-dim).
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Der Halbleiterchip kann als Oberflächenemitter, insbesondere als sogenannter Dünnfilmchip ausgelegt sein.
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Der Dünnfilmchip ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
WO2005081319A1 bekannt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm zweier alternativer Herstellungsverfahren A bzw. B für ein optoelektronisches Bauelement;
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A1.1, A1.2, A1.3, A1.4, A1.5, A2, A3 zeigen Zwischenprodukte des Herstellungsverfahrens gemäß Alternative A in einer Schnittansicht;
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B1.1, B1.2, B1.3, B2, B3 zeigen Zwischenprodukte des Herstellungsverfahrens gemäß Alternative B in einer Schnittansicht;
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2a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements hergestellt durch das Herstellungsverfahren gemäß Variante A in einer Schnittansicht;
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2b zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements hergestellt durch das Herstellungsverfahren gemäß Variante B in einer Schnittansicht;
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3a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit optoelektronischen Bauelementen mit seitlichem Streuverguss in Draufsicht;
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3b.1 und 3b.2 zeigen je ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit optoelektronischen Bauelementen mit seitlichem Streuverguss in einer Schnittansicht;
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3c.1 und 3c.2 zeigen je ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements mit seitlichem Streuverguss in einer Schnittansicht;
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements mit seitlichem Streuverguss und einer Linse in einer Schnittansicht.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm zweier alternativer Herstellungsverfahren A bzw. B für ein optoelektronisches Bauelement. Der Herstellungsprozess lässt sich in die Schritte S1 bis S4 aufgliedern. Die Schritte S5, S6 und S7 sind optional.
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Im Schritt S1 wird ein Halbleiterchip 110 in ein erstes flüssiges Matrixmaterial 112 mit darin homogen verteilten Leuchtstoffpartikeln 114 eingebracht. In 1 werden zwei alternative Wege, SA1 und SB1, zur Ausführung des Verfahrensschritt S1 gezeigt.
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Die erste Alternative SA1 weist die Teilschritte SA1.1, SA1.2, SA1.3, SA1.4 und SA1.5 auf.
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In Teilschritt SA1.1 wird eine inelastische Platte 140 mit darauf angeordneten elastischen Seitenwänden 142 bereitgestellt. Die elastischen Seitenwände 142 können Silikon, Fluorelastomere, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder ein thermoplastisches Elastomer aufweisen. Die elastischen Seitenwände 142 weisen keinen Schwefel auf. Das zum Teilschritt SA1.1 gehörige Zwischenprodukt ist in A1.1 dargestellt. Die elastischen Seitenwände 142 schließen dicht mit der inelastischen Platte 140 ab und bilden so eine Kavität.
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In Teilschritt SA1.2 wird die Kavität aus inelastischer Platte 140 und den elastischen Seitenwänden 142 aus einem Dispenser mit einem flüssigen Matrixmaterial 112 gefüllt. Als Matrixmaterial 112 kann ein Silikon, ein Epoxid oder ein Hybrid vorgesehen sein. In das Matrixmaterial 112 können Leuchtstoffpartikel 114 eingebracht sein. Als Leuchtstoffpartikel 114 können Yttrium Aluminium Granat oder Orthosilikate oder zum Einsatz kommen. Das zum Teilschritt SA1.2 gehörige Zwischenprodukt ist in A1.2 dargestellt. Die Leuchtstoffpartikel 114 können in dem Matrixmaterial 112 homogen verteilt sein. Die Kavität ist nur zu etwa ¾ ihres Volumens mit dem Matrixmaterial 112 gefüllt.
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In Teilschritt SA1.3 wird ein Substrat 102 mit einem darauf angeordneten Halbleiterchip 110 so auf die elastischen Seitenwände 142 der Kavität 103 aufgebracht, dass der Halbleiterchip 110 zur inelastischen Platte 140 weist. Das bestückte Substrat 102 wird in einem Autoklaven oder in einem Vakuum auf die Kavität aufgebracht. Der Halbleiterchip 110 kann zumindest teilweise in das erste Matrixmaterial 112 eintauchen. Das zum Teilschritt SA1.3 gehörige Zwischenprodukt ist in A1.3 dargestellt. Der Halbleiterchip 110 ist über eine Halbleiterchipkontaktschicht 104 mit dem Substrat 102 verbunden. Das Substrat 102 kann ein Keramiksubstrat sein. Auf dem Halbleiterchip 110 ist ein Kontaktpad 108 vorgesehen. Auf dem Substrat 102 ist ein Bondpad 106 angeordnet. Ein Bonddraht 116 schafft die elektrische Verbindung von Kontaktpad 108 und Bondpad 106. In dem Substrat 102 kann eine Kerbe 118 eingebracht sein.
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In Teilschritt SA1.4 wird das von Substrat 102, inelastischer Platte 140 und den elastischen Seitenwänden 142 gebildete Volumen, das mit dem flüssigen Matrixmaterial 112 gefüllt ist, zusammengepresst. Die flexible Kavität 103 mit den elastischen Seitenwänden 142 folgt der Form des Keramiksubstrats 102. Es erfolgt durch das Zusammenpressen auch ein Ausgleich von Volumenschwankungen. So kann eine eventuelle Ungleichmäßigkeit im Substrat, insbesondere in Form einer Kerbe 118, ausgeglichen werden. Das zum Teilschritt SA1.4 gehörige Zwischenprodukt ist in A1.4 dargestellt. Das aus elastischen Seitenwänden 142, inelastischer Platte 140 und Substrat 102 gebildete Volumen ist vollständig mit dem Matrixmaterial 112 gefüllt. Die Leuchtstoffpartikel 114 sind näherungsweise homogen verteilt. Die elastischen Seitenwände 142 sind durch den Anpressdruck verformt. Insbesondere sind die elastischen Seitenwände 142 in Richtung zur Kavität ausgebeult und in Richtung senkrecht zur inelastischen Platte 140 verkürzt.
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Im Teilschritt SA1.5 wird die geschlossene Einheit aus Substrat 102, inelastischer Platte 140 und elastischen Seitenwänden 142 in zusammengepressten Zustand um 180° gedreht. Die Drehung der Einheit erfolgt um eine Achse, die in der zwischen Halbleiterchip und Substrat gebildeten Ebene liegt. Das zum Teilschritt SA1.5 gehörige Zwischenprodukt ist in A1.5 dargestellt. Das Matrixmaterial 112 füllt nach wie vor das gesamte Volumen der geschlossenen Einheit aus. Die Leuchtstoffpartikel 114 sind nach wie vor homogen im Matrixmaterial 112 verteilt.
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Die zweite Alternative SB1 weist die Teilschritte SB1.1, SB1.2, SB1.3 auf.
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In Teilschritt SB1.1 wird ein Halbleiterchip 110 auf einem Substrat 102 bereitgestellt. Das zum Teilschritt SB1.1 gehörige Zwischenprodukt ist in B1.1 dargestellt. Der Halbleiterchip 110 ist über die Halbleiterchipkontaktschicht 104 elektrisch und mechanisch mit dem Substrat 102 verbunden. Das Kontaktpad 108 auf dem Halbleitechip 110 ist über den Bonddraht 116 elektrisch leitend mit dem Bondpad 106 auf dem Substrat verbunden.
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In Teilschritt SB1.2 wird eine Kavität 103 erzeugt, indem teilelastische Seitenwände 120 auf das Substrat 102 aufgesetzt werden. Das zum Teilschritt SB1.2 gehörige Zwischenprodukt ist in B1.2 dargestellt. Die teilelastischen Seitenwände 120 schließen dicht mit dem Substrat 102 ab. Dadurch wird die Kavität geschaffen, die den Halbleiterchip 110 mit seinem Kontaktpad 108, den Bonddraht 116 und das Bondpad 106 vollständig aufnimmt.
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Im Teilschritt SB1.3 wird das von Substrat 102 und teilelastischen Seitenwänden 120 gebildete Volumen mit einem flüssigen Matrixmaterial 112 gefüllt. Hierzu wird ein Dispenser 144 verwendet. In das erste Matrixmaterial 112 sind Leuchtstoffpartikel 114 eingebracht. Das zum Teilschritt SB1.3 gehörige Zwischenprodukt ist in B1.3 dargestellt. Der Halbleiterchip 110 mit seinem Kontaktpad 108, der Bonddraht 116 und das Bondpad 106 sind vollständig in dem Matrixmaterial 112 eingegossen. Die Leuchtstoffpartikel 114 sind näherungsweise homogen im ersten Matrixmaterial 112 verteilt. Vorteilhafterweise kann das flüssige Matrixmaterial 112 von oben dosiert werden. Das Substrat 102 taucht nicht mehr in das flüssige Matrixmaterial 112 ein. Die Einheit aus Substrat 102 und teilelastischen Seitenwänden 120 muss vor dem Schritt zum Sediemtieren nicht mehr gedreht werden. Die Gefahr der Blasenbildung ist reduziert.
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Im Schritt S2 werden die Leuchtstoffpartikel 114 sedimentiert. Die Sedimentation erfolgt über mehrere Stunden zwischen 1 h und 12 h bei leicht erhöhter Temperatur zwischen 25°C und 70°C. Die treibende Kraft, die auf die Leuchtstoffpartikel 114 wirkt, kann die Schwerkraft sein. Alternativ kann die Sedimentation in einer Zentrifuge erfolgen. Die treibende Kraft ist hier die Zentrifugalkraft. Auch eine Kombination beider Sedimentationsmethoden ist anwendbar. Die zum Schritt S2 gehörigen Zwischenprodukte sind in A2 und B2 dargestellt. Auf der vom Substrat 102 abgewandten Fläche des Halbleiterchip 110, auf den nicht vom Halbleiterchip 110 bedeckten Bereichen der Halbleiterchipkontaktschicht 104, auf dem Kontaktpad 108, auf dem Bondpad 106 und auf freiliegenden Bereichen des Substrats 102 sind die Leuchtstoffpartikel 114 sedimentiert. Es bildet sich eine Konversionsschicht 115. Das an die Konversionsschicht 115 angrenzende Matrixmaterial 112 ist nahezu klar. Mit anderen Worten sind zwischen der Konversionsschicht 115 und der Grenzfläche Luft-Matrixmaterial 112 nur noch sehr wenige Leuchtstoffpartikel 114 im Matrixmaterial 112 vorhanden. Der Anteil an Leuchtstoffpartikeln liegt bei 0,5%–5% Gewichtsprozent.
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Im Schritt S3 wird das erste Matrixmaterial 112 mit der Leuchtstoffpartikel 114 aufweisenden Konversionsschicht 115 ausgehärtet. Zunächst wird das erste Matrixmaterial 112 während einer Zeitspanne von 2 min bis 15 min angehärtet. Anschließend erfolgt ein Nachhärten während einer Zeitspanne von 1 h bis 4 h.
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Im Schritt S4 werden die Seitenwände 142 bzw. 120 abgezogen. A3 und B3 zeigen die Zwischenprodukte während des Abziehens der seitlichen Wände 142 bzw. 120 A3 zeigt das Zwischenprodukt im Falle von elastischen Seitenwänden 142. Beim Abheben der elastischen Seitenwände 142 relaxiert die elastische Verformung. Die elastischen Seitenwände 142 heben sich in einfacher Weise vom im ersten Matrixmaterial 112 eingegossenen Halbleiterchip 110 ab. B3 zeigt das Zwischenprodukt im Falle von teilelastischen Seitenwänden 120. Die teilelastischen Seitenwände 120 können mit einer Antihaft-Beschichtung, insbesondere Teflon, versehen sein, wodurch sich das Ablösen der teilelastischen Seitenwände 120 vom eingegossenen Halbleiterchip 110 erleichtert.
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Nach Ausführen von Schritt S4 ergeben sich Ausführungsbeispiele des Endprodukts, das optoelektronische Bauelement 100 bzw. das optoelektronische Bauelement 101. Das Optoelektronisches Bauelement 100, 101, 200, 201 weist ein Substrat 102 auf, auf dem ein Halbleiterchip 110 angeordnet ist. Auf dem Halbleiterchip ist eine Schicht 115 aus Leuchtstoffpartikel 114 sedimentiert. Ein Körper 146 aus ausgehärtetem Matrixmaterial 112 schließt den Halbleiterchip 110 vollständig ein.
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2a zeigt das optoelektronische Bauelement 100 das sich durch das Herstellungsverfahren mit dem Teilschritt SA1 ergibt. Der Körper 146 weist konkav gekrümmte Seitenflächen 148 auf.
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2b zeigt das optoelektronische Bauelement 101 das sich durch das Herstellungsverfahren mit dem Teilschritt SB1 ergibt. Der Körper 146 weist gerade Seitenflächen 148 auf, die senkrecht zum Substrat 102 stehen.
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2a unterscheidet sich von 2b nur durch die seitliche Form des ausgehärteten Matrixmaterials 112. Da diese seitliche Form keinen Einfluss auf die Eigenschaften der optoelektronischen Bauelemente 100 bzw. 101 hat, werden im Folgenden 2b und 2a gemeinsam beschrieben.
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Die Konversionsschicht 115 weist eine Konzentration von Leuchtstoffpartikeln 114 von 20%–95% Gewichtsprozent auf. Die Leuchtstoffpartikel 114 der Konversionsschicht 115 sind in ein Matrixmaterial 112, insbesondere in ein Silikon, in ein Epoxid oder in ein Hybrid, eingebettet. Die Konversionsschicht 115 weist eine homogene Dicke von 5 μm–120 μm auf.
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Im optionalen Schritt S5 wird der mit dem Matrixmaterial 112 vollständig vergossene Halbleiterchip 110 mit einem weiteren Matrixmaterial 130 seitlich vergossen. Das weitere Matrixmaterial 130 kann härter sein als das Matrixmaterial 112. Im weiteren Matrixmaterial 130 sind Streupartikel 132 homogen verteilt. 3a, 3b.1 und 3b.2 zeigen das Produkt nach Ausführung von Schritt S5. 3a zeigt eine Draufsicht auf ein Produkt mit vier optoelektronischen Bauelementen 100, 101. Zwischen den optoelektronischen Bauelementen 100, 101 ist das ausgehärtete, weitere Matrixmaterial 130 angeordnet. 3b.1 und 3b.2 zeigen schematische seitliche Schnittansichten des Produkts. Der überwiegende Teil des Primärlichts und des von der Konversionsschicht 115 emittierten Sekundärlichts verlassen das optoelektronische Bauelement 100 bzw. 101 durch das im wesentlichen klare Matrixmaterial 112 auf der vom Substrat 102 abgewandten Fläche des Halbleiterchips 110. Seitlich emittiertes Mischlicht kann in den Bereich mit dem weiteren, härteren Matrixmaterial 130, eindringen. Die im weiteren Matrixmaterial 130 eingebetteten Streupartikel 132 können das Mischlicht zurückstreuen. Das zurück gestreute Mischlicht kann zumindest teilweise das optoelektronische Bauelement verlassen.
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In einem optionalen Schritt S6 kann die in 3a, 3b.1 und 3b.2 gezeigte Anordnung mit mehreren vergossenen Halbleiterchips 110 in einzelne optoelektronische Bauelemente 200 bzw. 201 getrennt werden. Dies kann durch einen Sägeprozess, insbesondere Lasersägen, erreicht werden. Das Ergebnis des Schritt S6 ist in 3c.1 und 3c.2 gezeigt. 3c.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 200 das durch Vereinzeln aus der Anordnung in 3b.1 hervorgeht. 3c.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 201 das durch Vereinzeln aus der Anordnung in 3b.2 hervorgeht.
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Im optionalen Schritt S7 wird eine Linse 150 auf den vergossenen Halbleiterchip 110 aufgesetzt. Der Schritt S7 kann sich direkt an den Schritt S4, direkt an den Schritt S5 oder direkt an den Schritt S6 anschließen. Das Aufsetzen der Linse 150 kann durch Übermolden eines klaren Vergussmaterials, insbesondere Silikon, auf den vergossenen Halbleiterchip 110 erfolgen. Im in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Linse 150 auf das in 3c.1 gezeigte optoelektronische Bauelement 200 aufgesetzt. Das klare Vergussmaterial der Linse 150 ist härter als das Matrixmaterial 112 mit dem der Halbleiterchip 110 vergossen ist. Dies erleichtert das Handling bei der Formgebung der Linse. Die Linse 150 überlappt mit den Bereichen des weiteren Matrixmaterials 130 in das die Streupartikel 132 eingebettet sind. Dies erhöht den Anteil an Mischlicht, das von der Linse 150 eingesammelt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- optoelektronisches Bauelement
- 101
- optoelektronisches Bauelement
- 102
- Substrat
- 103
- Kavität
- 104
- Halbleiterchipkontaktschicht
- 106
- Bondpad auf Substrat
- 108
- Kontaktpad auf Halbleiterchip
- 110
- Halbleiterchip
- 112
- Matrixmaterial (weich)
- 114
- Leuchtstoffpartikel
- 115
- Konversionsschicht
- 116
- Bonddraht
- 118
- Kerbe im Substrat
- 120
- teilelastische Seitenwände
- 130
- weiteres Matrixmaterial (hart)
- 132
- Streupartikel
- 140
- inelastische Platte
- 142
- elastische Seitenwände
- 144
- Dispenser
- 146
- Körper
- 148
- Seitenflächen des Körpers
- 150
- abbildende Optik (Linse)
- 200
- optoelektronisches Bauelement
- 201
- optoelektronisches Bauelement
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010017831 [0024]
- DE 102006061175 [0025]
- WO 2005081319 A1 [0033]
