DE102011056220A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauteil und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils - Google Patents

Optoelektronisches Halbleiterbauteil und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils Download PDF

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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauteil (1) einen Träger (2) auf. An einer Montageseite (20) ist ein Halbleiterchip (3) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung angebracht. Mindestens ein Konversionselement (4) zur wenigstens teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung, die eine größere Wellenlänge aufweist als die Primärstrahlung, ist auf einer Strahlungsaustrittsseite (30) des Halbleiterchips (3) angebracht. Das Halbleiterbauteil (1) beinhaltet eine Wärmeleitstruktur (5) zur Entwärmung des Konversionselements (4). Die Wärmeleitstruktur (5) befindet sich außerhalb des Konversionselements (4) und steht mindestens stellenweise in direktem Kontakt zu dem Konversionselement (4).

Description

  • Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauteils angegeben.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, bei dem ein Konversionselement, das zu einer Umwandlung einer Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung eingerichtet ist, effizient entwärmbar ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil einen Träger. Der Träger weist eine Montageseite auf. Bei dem Träger handelt es sich bevorzugt um diejenige Komponente des Halbleiterbauteils, die das Halbleiterbauteil mechanisch stützt und stabilisiert. Bei dem Träger kann es sich um eine Leiterplatte, insbesondere ein so genanntes Printed Circuit Board, kurz PCB, handeln. Ebenso kann es sich bei dem Träger um eine Keramik, einen Halbleiterkörper wie Silizium, eine Metallkernplatine oder um ein faserverstärktes Silikon handeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Träger durch ein thermisch und elektrisch leitfähiges Material wie ein Metall gebildet, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium oder aus einer Kupferlegierung oder Aluminiumlegierung. Der Träger kann Leiterbahnen und/oder elektrische Durchkontaktierungen aufweisen, die von der Montageseite zu einer der Montageseite gegenüberliegenden Rückseite reichen.
  • Eine Dicke des Trägers liegt bevorzugt zwischen einschließlich 50 μm und 500 μm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil einen oder mehrere Halbleiterchips. Die Halbleiterchips sind zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung eingerichtet. Beispielsweise handelt es sich bei den Halbleiterchips um Leuchtdiodenchips. Bevorzugt weist das Halbleiterbauteil mindestens einen Halbleiterchip auf, der im ultravioletten oder im blauen Spektralbereich im Betrieb Primärstrahlung erzeugt. Das Halbleiterbauteil kann verschiedene Arten von Halbleiterchips umfassen, insbesondere blau und rot emittierende Halbleiterchips.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der mindestens eine Halbleiterchip oder sind alle Halbleiterchips an der Montageseite angebracht. Die Halbleiterchips können unmittelbar an der Montageseite, beispielsweise auf Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen, angebracht sein. Bevorzugt befindet sich zwischen dem Träger und den Halbleiterchips lediglich ein Verbindungsmittel wie ein Lot oder ein Kleber. Sind mehrere Halbleiterchips auf der Montageseite angeordnet, so weisen diese in einer lateralen Richtung, also in einer Richtung parallel zur Montageseite, bevorzugt einen Abstand voneinander auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet das Halbleiterbauteil eines oder mehrere Konversionselemente. Die Konversionselemente sind dazu eingerichtet, einen Teil oder die gesamte Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung umzuwandeln, wobei die Sekundärstrahlung bevorzugt eine größere Wellenlänge als die Primärstrahlung aufweist. Es ist möglich, dass jedem Halbleiterchip genau ein Konversionselement zugeordnet ist und umgekehrt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement auf einer Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips angebracht. Die Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips ist hierbei der Montageseite abgewandt. Bei der Strahlungsaustrittsseite handelt es sich um diejenige Seite, bei der im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Halbleiterchips anteilig die meiste Primärstrahlung den Halbleiterchip verlässt. Das Konversionselement ist bevorzugt unmittelbar auf die Strahlungsaustrittsseite aufgebracht. Das kann bedeuten, dass ein Material des Konversionselements in unmittelbarem, physischem Kontakt mit einem Material des Halbleiterchips steht. Es kann auch sein, dass sich zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip lediglich ein Verbindungsmittel zur Befestigung des Konversionselements an dem Halbleiterchip befindet, etwa ein Kleber.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauteil eine oder mehrere Wärmeleitstrukturen auf. Die Wärmeleitstrukturen sind zu einer Kühlung und Entwärmung des Konversionselements eingerichtet. Ein Material, aus dem die Wärmeleitstrukturen gebildet sind, weist bevorzugt eine thermische Leitfähigkeit auf, die mindestens ein Zehnfaches oder mindestens ein Fünfzigfaches einer mittleren thermischen Leitfähigkeit des Konversionselements beträgt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die mindestens eine Wärmeleitstruktur außerhalb des Konversionselements. In einer lateralen Richtung, parallel zu der Strahlungsaustrittsseite und/oder parallel zu der Montageseite, steht die Wärmeleitstruktur stellenweise oder ganzflächig in direktem, physischem Kontakt mit dem Konversionselement.
  • In mindestens einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauteil einen Träger mit einer Montageseite auf. An der Montageseite ist mindestens ein Halbleiterchip zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung angebracht. Der Halbleiterchip weist eine Strahlungsaustrittsseite auf, die der Montageseite abgewandt ist. Mindestens ein Konversionselement zur wenigstens teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung, die eine größere Wellenlänge aufweist als die Primärstrahlung, ist auf der Strahlungsaustrittsseite angebracht. Das Halbleiterbauteil beinhaltet mindestens eine Wärmeleitstruktur zur Entwärmung des Konversionselements. Die Wärmeleitstruktur befindet sich außerhalb des Konversionselements und, in einer lateralen Richtung parallel zur Strahlungsaustrittsseite, steht mindestens stellenweise in direktem Kontakt zu dem Konversionselement.
  • Lampen, die als Lichtquellen Leuchtdioden aufweisen, werden zunehmend auch für Strahler oder Scheinwerfer mit einer großen Helligkeit eingesetzt. Hierbei werden hohe Leuchtdichten benötigt. Sind mehrere Leuchtdiodenchips eingesetzt, so ist in der Regel ein nur geringer Abstand zwischen benachbarten Leuchtdiodenchips notwendig, um die gewünschten Leuchtdichten zu erzielen.
  • Für die Erzeugung von weißem Licht wird oft kurzwellige blaue Strahlung einer Leuchtdiode in langwelligere Strahlung konvertiert. Die nach dem Stokes-Prinzip entstehende Verlustwärme wird typisch in dem Konversionselement deponiert. Hierdurch steigt eine Temperatur des Konversionselements an. Durch die Temperaturerhöhung wird in der Regel die Effizienz der Konversion der Primärstrahlung in die Sekundärstrahlung verringert, so genanntes Quenching tritt auf. Ebenso wird durch höhere Temperaturen die Langzeitstabilität des Konversionselements reduziert, da eine Degradation, insbesondere eine Oxidation, eines organischen Materials des Konversionselements durch erhöhte Temperaturen beschleunigt auftritt.
  • Durch die Verlustwärme in dem Konversionselement kann somit eine Größe einer Leuchtdiodenanordnung und eine Dichte von Leuchtdiodenchips in der Anordnung limitiert sein. Eine höhere Effizienz und/oder eine höhere Dichte von Leuchtdiodenchips sowie eine geringer Baugröße ist erzielbar, wenn die Verlustwärme bei der Wellenlängenkonversion effektiv aus dem Inneren des Konversionselements herausgeleitet wird, wobei eine Lichttransmission durch das Konversionselement hindurch möglichst wenig beeinflusst werden soll, um eine hohe Lichtauskoppeleffizienz zu erzielen. Dies ist durch die Verwendung mindestens einer Wärmeleitstruktur, bevorzugt in Kombination mit einem Wärmeleitelement, erreichbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weist das Konversionselement ein oder mehrere Wärmeleitelemente auf. Die Wärmeleitelemente sind zur Entwärmung des Konversionselements vorgesehen. Ein Material der Wärmeleitelemente weist besonders bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit auf, die mindestens einem Zehnfachen oder mindestens einem Fünfzigfachen einer mittleren Wärmeleitfähigkeit des Konversionselements entspricht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich das Wärmeleitelement vollständig oder teilweise innerhalb des Konversionselements. Das kann heißen, dass Teile des Wärmeleitelements, in einer Schnittdarstellung gesehen, ringsum von einem Material des Konversionselements umgeben sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich das Wärmeleitelement stellenweise in direktem Kontakt zu der Wärmeleitstruktur außerhalb des Konversionselements. Mit anderen Worten kann das Wärmeleitelement die Wärmeleitstruktur berühren. Das Wärmeleitelement und die Wärmeleitstruktur können eine gemeinsame, durchgehende Materialverbindung und/oder Materialkomponente aufweisen. Hierdurch ist durch die Konversionselemente die Verlustwärme an den Rand des Konversionselements leitbar und von dort aus durch die Wärmeleitstrukturen weiter ableitbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Wärmeleitelemente eine Haupterstreckungsrichtung auf, die parallel zur Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips orientiert ist. Insbesondere sind die Wärmeleitelemente anisotrop in dem Konversionselement verteilt sowie ausgerichtet. Beispielsweise sind die Wärmeleitelemente, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, parallel zu der Strahlungsaustrittsseite orientiert. Die Wärmeleitelemente können in einer oder in mehreren Schnittebenen parallel zu der Strahlungsaustrittsseite verlaufen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Wärmeleitelement oder sind die Wärmeleitelemente durch Fäden, durch ein oder mehrere Netze, durch eine oder mehrere Platten und/oder durch langgestreckte Füllstoffpartikel aus einem wärmeleitfähigen Material gebildet oder weisen solche Strukturen auf. Mit anderen Worten weichen Bestandteile der Wärmeleitelemente deutlich von einer sphärischen oder ellipsoiden Gestalt ab.
  • Es sind also die Wärmeleitelemente insbesondere innerhalb des Konversionselements angebracht, speziell um eine hohe Entwärmung aus dem Inneren des Konversionselements heraus zu realisieren. Die Wärmeleitstrukturen dagegen befinden sich an Außenflächen des Konversionselements, um von dort aus Wärme von dem Konversionselement, und somit bevorzugt auch von dem mindestens einen Wärmeleitelement, abzuführen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weist ein Material der Wärmeleitelemente und/oder der Wärmeleitstruktur eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/mK oder von mindestens 50 W/mK oder von mindestens 100 W/mK auf. Alternativ oder zusätzlich übersteigt die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Wärmeleitelements die mittlere Wärmeleitfähigkeit der restlichen Komponenten des Konversionselements um mindestens einen Faktor 10 oder um mindestens einen Faktor 100. Beispielsweise sind die Wärmeleitstruktur und/oder das Wärmeleitelement durch ein Metall wie Kupfer, Aluminium oder Silber oder Legierungen hiermit gebildet. Ebenso kann das Material durch eine Keramik oder durch kohlenstoffhaltige Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren oder Diamant gebildet sein oder die genannten Stoffe aufweisen. Das Wärmeleitelement und die Wärmeleitstruktur können aus demselben oder aus verschiedenen Materialien gebildet sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weisen die Wärmeleitelemente einen Volumenanteil an dem gesamten Konversionselement von höchstens 10 % oder von höchstens 5 % oder von höchstens 2 % auf. Bevorzugt liegt der Volumenanteil des Wärmeleitelements somit deutlich unterhalb einer Perkolationsschwelle für sphärische Partikel. Der niedrige Volumenanteil der Wärmeleitelemente bei hoher Entwärmeffizienz ist durch die insbesondere netzartige oder fädenartige Form der Wärmeleitelemente realisierbar. Hierdurch ist eine erhöhte Strahlungsdurchlässigkeit des Konversionselements erzielbar.
  • Eine alternative Möglichkeit, um eine verbesserte Wärmeabfuhr aus einem Konversionselement heraus zu erreichen, besteht darin, Füllstoffpartikel hochkonzentriert in das Konversionselement einzubetten. Solche Füllstoffpartikel sind oft sphärisch ausgebildet. Zur Ausbildung von Wärmeleitpfaden ist ein Volumenanteil von mindestens 30 % bis 35 % nötig. Da die Füllstoffpartikel eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen müssen, ist eine Materialauswahl für die Füllstoffpartikel limitiert und aus dem hohen Volumenanteil resultiert eine verminderte Lichtdurchlässigkeit des Konversionselements. Durch solche Füllstoffpartikel ist eine Lichtauskoppeleffizienz in der Regel deutlich herabgesetzt. Durch die anisotrop ausgerichteten Wärmeleitelemente mit einem erheblich geringen Volumenanteil ist die Lichtdurchlässigkeit steigerbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Wärmeleitelemente einen optischen Brechungsindex auf, der sich von einem mittleren Brechungsindex des Konversionselements um höchstens 0,5 oder um höchstens 0,2 oder um höchstens 0,1 unterscheidet. Mit anderen Worten ist dann ein Brechungsindex eines Materials der Wärmeleitelemente an den Brechungsindex des Konversionselements angepasst. Das Material der Wärmeleitelemente ist bevorzugt durchlässig sowie klarsichtig oder streuend für die Primärstrahlung und/oder die Sekundärstrahlung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils umgibt die Wärmeleitstruktur das Konversionselement in lateraler Richtung ringsum. Mit anderen Worten bildet dann ein Material der Wärmeleitstruktur einen geschlossenen Ring, in Draufsicht auf die Strahlungsaustrittsseite gesehen, um das Konversionselement herum, wobei ringsum unmittelbarer Kontakt zwischen dem Konversionselement und der Wärmeleitstruktur besteht. Entlang einer Richtung senkrecht zur Strahlungsaustrittsseite kann die Wärmeleitstruktur entlang des gesamten Konversionselements mit dieser in unmittelbarem physischem Kontakt stehen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weist das Konversionselement ein Matrixmaterial und darin eingebettete Konversionspartikel auf. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich insbesondere um ein Silikon oder ein silikonhaltiges Material. Die Konversionspartikel können einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 2 μm und 20 μm aufweisen. Die Konversionspartikel sind beispielsweise aus einem Granat, einem Orthosilikat, einem Nitridosilikat, einem Siliziumoxinitrid und/oder einem Siliziumnitrid gebildet, wobei die genannten Stoffklassen bevorzugt Seltenerden-dotiert sind. Ein Gewichtsanteil der Konversionspartikel an dem gesamten Konversionselement liegt bevorzugt zwischen einschließlich 5 % und 80 %, insbesondere zwischen einschließlich 10 % und 25 % oder zwischen einschließlich 60 % und 80 %. Ebenso kann das Konversionselement eine Keramikmatrix aufweisen oder auch eine Keramik, die aus Konversionspartikeln gesintert ist, sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips mindestens zum Teil über die Wärmeleitstruktur. Insbesondere ist einer der elektrischen Anschlüsse des Halbleiterchips durch die Wärmeleitstruktur realisiert. Beispielsweise steht ein elektrischer Kontakt des Halbleiterchips an der Strahlungsaustrittsseite in elektrisch leitfähiger Verbindung mit der Wärmeleitstruktur.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip von der Wärmeleitstruktur elektrisch isoliert. Es besteht also keine direkte, elektrisch leitende Verbindung von dem Halbleiterchip hin zu der Wärmeleitstruktur. Bevorzugt steht der Halbleiterchip aber in thermischem Kontakt mit der Wärmeleitstruktur.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der mindestens eine Halbleiterchip oder sind die Halbleiterchips in lateraler Richtung ringsum von einem wärmeleitfähigen Isolationsmaterial umgeben. Das Isolationsmaterial ist elektrisch isolierend. Eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmaterials beträgt beispielsweise mindestens 1 W/mK oder mindestens 2 W/mK oder mindestens 5 W/mK oder mindestens 20 W/mK. Alternativ oder zusätzlich liegt die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmaterials um mindestens einen Faktor 10 oder um mindestens einen Faktor 50 über der des Matrixmaterials des Konversionselements, sofern ein solches Matrixmaterial vorhanden ist. Zum Beispiel ist das Isolationsmaterial ein Hybridmaterial, das mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Isolationsmaterial eine solche Höhe auf, dass es, ausgehend von der Montageseite des Trägers, mindestens bis zur Strahlungsaustrittsseite reicht oder die Strahlungsaustrittsseite überragt. Bevorzugt schließt das Isolationsmaterial bündig mit der Strahlungsaustrittsseite ab.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt die Wärmeleitstruktur, in Richtung weg von der Montageseite, dem Isolationsmaterial nach. Mit anderen Worten befindet sich die Wärmeleitstruktur über dem Isolationsmaterial. Es ist hierbei möglich, dass das Isolationsmaterial, in Draufsicht auf die Montageseite gesehen, vollständig von der Wärmeleitstruktur überdeckt ist. Weiterhin ist es möglich, dass, in Draufsicht gesehen, die Wärmeleitstruktur ausschließlich auf dem Isolationsmaterial angebracht ist. Die Wärmeleitstruktur reicht dann, in Draufsicht gesehen, nicht in solche Bereiche, in denen kein Isolationsmaterial angebracht ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in der Wärmeleitstruktur eine oder mehrere Kühlrippen geformt. Die Kühlrippen weisen bevorzugt in eine Richtung weg von der Montageseite. Die Kühlrippen können sich an derselben Seite des Trägers befinden wie die Halbleiterchips.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Wärmeleitstruktur zumindest eine Aufrauung auf. Die Aufrauung ist mindestens an solchen Begrenzungsflächen und/oder Bereichen der Wärmeleitstruktur angebracht, in denen die Wärmeleitstruktur in direktem Kontakt mit dem Konversionselement steht. Eine mittlere Rauheit der Aufrauung beträgt beispielsweise mindestens 1 μm oder mindestens 5 μm oder mindestens 10 μm. Alternativ oder zusätzlich beträgt die mittlere Rauheit der Aufrauung höchstens 100 μm oder höchstens 50 μm oder höchstens 20 μm. Durch eine solche Aufrauung ist eine haftsteigernde Verzahnung zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Konversionselement erzielbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils steht das Konversionselement stellenweise in direktem Kontakt zu einer elektrischen Kontaktstruktur. Die elektrische Kontaktstruktur ist dazu eingerichtet, den Halbleiterchip elektrisch zu kontaktieren, insbesondere an der Strahlungsaustrittsseite. Die Wärmeleitstruktur kann von der elektrischen Kontaktstruktur elektrisch isoliert sein. Es ist möglich, dass eine Entwärmung des Konversionselements über die elektrische Kontaktstruktur erfolgt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die elektrische Kontaktstruktur stellenweise oder ganzflächig zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Isolationsmaterial oder dem Träger, insbesondere gesehen entlang einer Richtung senkrecht zur Montageseite. Mit anderen Worten ist dann die Wärmeleitstruktur über der Kontaktstruktur aufgebracht. Zwischen der Kontaktstruktur und der Wärmeleitstruktur kann sich ein weiteres Isolationsmaterial befinden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils schließen die Wärmeleitstruktur und das Konversionselement, in eine Richtung weg von der Montageseite, im Rahmen der Herstellungstoleranzen bündig ab. Mit anderen Worten weisen dann die Wärmeleitstruktur und das Konversionselement, bezogen auf die Montageseite, eine gleiche Höhe auf. Insbesondere in diesem Fall kann die Wärmeleitstruktur, in Draufsicht gesehen, frei oder unbedeckt von dem Konversionselement sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Halbleiterbauteils weist dieses eine Mehrzahl von Halbleiterchips auf, die matrixartig auf der Montageseite angeordnet sind. Die Halbleiterchips sind ringsum jeweils von der Wärmeleitstruktur umgeben, in Draufsicht auf die Montageseite gesehen. Mit anderen Worten befindet sich dann zwischen benachbarten Halbleiterchips mindestens ein Teil der Wärmeleitstruktur. Eine Vorderseite des Halbleiterbauteils, die dem Träger gegenüber liegt, kann, in Draufsicht auf die Montageseite gesehen, vollständig durch die Konversionselemente und die Wärmeleitstruktur gebildet sein. Zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Träger kann sich das Isolationsmaterial befinden, das im Wesentlichen dieselbe Fläche des Trägers bedeckt wie die Wärmeleitstruktur.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Seitenwände der Wärmeleitstruktur im Rahmen der Herstellungstoleranzen senkrecht zu der Strahlungsaustrittsseite orientiert. Die Seitenwände können, insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 30 μm oder von höchstens 50 μm entlang einer Richtung parallel zu der Strahlungsaustrittsseite, in Verlängerung von Chipflanken der Halbleiterchips verlaufen. Die Chipflanken sind hierbei Begrenzungsflächen des Halbleiterchips, die von der Strahlungsaustrittsseite hin zu der Montageseite reichen.
  • Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils angegeben. Mit dem Verfahren kann ein Halbleiterbauteil hergestellt werden, wie in Verbindung mit einer oder mehreren der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt.
  • In mindestens einer Ausführungsform weist das Verfahren mindestens die folgenden Schritte auf:
    • – Bereitstellen eines Trägers mit einer Montageseite,
    • – Anbringen mindestens eines Halbleiterchips an der Montageseite, wobei eine Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips der Montageseite abgewandt ist,
    • – Anbringen eines wärmeleitfähigen Isolationsmaterials ringsum um den Halbleiterchip, wobei das Isolationsmaterial elektrisch isolierend ist,
    • – Aufbringen einer elektrischen Kontaktstruktur an einer der Montageseite abgewandten Oberseite des Isolationsmaterials und an der Strahlungsaustrittsseite,
    • – Anbringen einer Wärmeleitstruktur an der Oberseite und/oder an der Strahlungsaustrittsseite,
    • – Anbringen eines Konversionselements an der Strahlungsaustrittsseite, und
    • – Fertigstellen des Halbleiterbauteils.
  • Die einzelnen Verfahrensschritte können in der angegebenen oder auch in einer hiervon abweichenden Reihenfolge durchgeführt werden.
  • Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Halbleiterbauteil 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 Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
  • 3 bis 7 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen, und
  • 8 eine Abwandlung eines Halbleiterbauteils.
  • In 1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 illustriert. Gemäß 1A werden an einer Montageseite 20 eines Trägers 2 mehrere Halbleiterchips 3 linienartig oder, bevorzugt, matrixartig angebracht. Bei den Halbleiterchips 3 handelt es sich um Leuchtdiodenchips, die beispielsweise blaues Licht emittieren. Die Halbleiterchips 3 weisen jeweils Strahlungsaustrittsseiten 30 auf, die der Montageseite 20 abgewandt sind.
  • Im Verfahrensschritt gemäß 1B wird in Bereiche zwischen den Halbleiterchips 3 ein Isolationsmaterial 7 angebracht. Das Isolationsmaterial 7 ist elektrisch isolierend und weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Es ist möglich, dass das Isolationsmaterial 7 in unmittelbarem physischem Kontakt zu Chipflanken 35 steht, wobei die Chipflanken 35 näherungsweise senkrecht zu der Montageseite 20 orientiert sind. Gemäß 1B überragt das Isolationsmaterial 7 die Halbleiterchips 3, in Richtung weg von der Montageseite 20.
  • Optional ist es möglich, vergleiche 1C, dass dem Träger 2 abgewandte Oberseiten 70 des Isolationsmaterials 7 und die Strahlungsaustrittsseiten 30 näherungsweise bündig verlaufen. Hierzu kann das Isolationsmaterial 7 nach dem Aufbringen teilweise wieder entfernt werden.
  • In 1C ist zu sehen, dass auf die Oberseite 70 des Isolationsmaterials 7 sowie stellenweise auf den Strahlungsaustrittsseiten 30 eine elektrische Kontaktstruktur 8 aufgebracht wird. Eine Kontaktierung der Halbleiterchips 3 über derartige Kontaktstrukturen 8 ist auch in der Druckschrift US 2009/0127573 A1 offenbart, deren Offenbarungsgehalt durch Rückbezug aufgenommen wird. Bevorzugt sind die Halbleiterchips 3 elektrisch kontaktiert über die elektrische Kontaktstruktur 8 und über den Träger 2, der elektrisch leitfähig und ein Metallkörper sein kann. Das Halbleiterbauteil 1 kann also frei von Bond-Drähten sein.
  • Gemäß dem in 1D gezeigten Verfahrensschritt wird an einer dem Träger 2 abgewandten Seite der elektrischen Kontaktstruktur 8 ein weiteres Isolationsmaterial 7b in Form einer dünnen Schicht aufgebracht. Eine Dicke des weiteren Isolationsmaterials 7b beträgt zum Beispiel höchstens 100 μm oder höchstens 10 μm oder höchstens 0,5 μm. Bei dem weiteren Isolationsmaterial 7b kann es sich um einen Lack handeln. Anders als in 1D dargestellt, kann das weitere Isolationsmaterial 7b die elektrische Kontaktstruktur 8 und optional auch die Strahlungsaustrittsseiten 30 vollständig bedecken. In diesem Fall ist das weitere Isolationsmaterial 7b beispielsweise durch eine einige zehn Nanometer dünne Siliziumoxid-Schicht oder Siliziumnitrid-Schicht gebildet.
  • Auf das weitere Isolationsmaterial 7b wird nachfolgend eine Wärmeleitstruktur 5 aufgebracht, siehe 1E. Beispielsweise wird ein Material der Wärmeleitstruktur 5, bevorzugt ein Metall wie Kupfer oder eine Kupferlegierung, galvanisch aufgebracht. Ebenso ist es möglich, dass die Wärmeleitstruktur 5 nach Art eines Leiterrahmens separat vorgefertigt, strukturiert und dann auf das weitere Isolationsmaterial 7b aufgesetzt und befestigt wird, beispielsweise aufgeklebt oder aufgelötet. Ein Klebstoff kann auch das weitere Isolationsmaterial 7b selbst sein.
  • Optional weist die Wärmeleitstruktur 5, die bevorzugt eine durchgehende, einstückige Struktur ist, Kühlrippen 50 auf. In jedem Bereich zwischen benachbarten Halbleiterchips 3 weist die Wärmeleitstruktur 5 bevorzugt mehrere der Kühlrippen 50 auf. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen kann die Wärmeleitstruktur 5 mit einer reflektierenden Beschichtung, beispielsweise mit einem weißen Lack oder mit einem reflektierenden Material wie Silber, versehen sein, um die Gesamteffizienz des Halbleiterbauteils 1 zu erhöhen.
  • Weiterhin optional ist es möglich, dass die Wärmeleitstruktur 5 an Seitenflächen eine Aufrauung 55 aufweist. Über die Aufrauung 55 ist ein mechanischer Halt eines Konversionselements 4, vergleiche 1F, an der Wärmeleitstruktur 5 verbesserbar. Durch die Aufrauung 55 ist eine Verzahnung mit dem Konversionselement 4 erreichbar, sodass auf einen thermisch schlecht leitenden Kleber zwischen dem Konversionselement 4 und dem Halbleiterchip 3 oder der Wärmeleitstruktur 5 verzichtet werden kann.
  • Das Konversionselement 4 wird beispielsweise in Form von vorgefertigten Plättchen in Bereiche zwischen der Wärmeleitstruktur 5 gedrückt. Ebenso ist es möglich, dass das Konversionselement etwa mittels Rakeln oder Siebdruck oder Dispensen oberhalb der Halbleiterchips 3 zwischen Teilbereichen der Wärmeleitstruktur 5 eingebracht wird. Bevorzugt erfolgt die Befestigung der Konversionselemente 4 an den Halbleiterchips 3 und/oder an der Wärmeleitstruktur 5 verbindungsmittelfrei.
  • Gemäß 1F verlaufen die Seitenwände der Wärmeleitstruktur 5 mit der Aufrauung 55 in Verlängerung der Chipflanken 35. Die Wärmeleitstruktur 5 ist, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, auf Bereiche mit dem Isolationsmaterial 7 beschränkt, in Draufsicht auf die Montageseite 20 gesehen. In Richtung weg von dem Träger 2 schließen die Konversionselemente 4 sowie die Wärmeleitstruktur 5 bündig ab. Die Wärmeleitstruktur 5 ist an einer Vorderseite des Halbleiterbauteils 1, die dem Träger 2 gegenüber liegt, nicht von den Konversionselementen 4 bedeckt.
  • Ein weiteres Herstellungsverfahren für das Halbleiterbauteil 1 ist in 2 illustriert. Die Verfahrensschritte gemäß der 1A bis 1C können den in 2 gezeigten Verfahrensschritten vorausgehen.
  • Beim Verfahren gemäß 2A werden die Konversionselemente 4 strukturiert aufgebracht, bevor die Wärmeleitstruktur 5 angebracht wird. Beispielsweise werden die Konversionselemente 4 über Siebdruck erstellt. Es ist möglich, dass die Konversionselemente 4 die zuvor aufgebrachte elektrische Kontaktstruktur 8 teilweise überdecken.
  • Im Verfahrensschritt gemäß 2B wird in Zwischenräume zwischen benachbarte, inselartige Konversionselemente 4 das weitere Isolationsmaterial 7b schichtartig aufgebracht. Oberhalb des weiteren Isolationsmaterials 7b wird dann das Material für die Wärmeleitstruktur 5 ringsum angebracht. Im optionalen Verfahrensschritt gemäß 2C werden die Kühlrippen 50 gefertigt.
  • In 3 ist eine schematische Draufsicht auf die Vorderseite eines Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauteils 1 zu sehen. Die Vorderseite ist im Wesentlichen durch die Konversionselemente 4 sowie durch die Wärmeleitstruktur 5 gebildet. Die optionalen Kühlrippen 50 sind in 3 nicht dargestellt.
  • Die Halbleiterchips 3 sind, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, matrixartig angeordnet und können inselartige Bereiche bilden, die in Draufsicht gesehen ringsum von der Wärmeleitstruktur 5 sowie dem Isolationsmaterial 7 umgeben sind. Ein mittlerer Abstand benachbarter Halbleiterchips 3 liegt bevorzugt zwischen einem 0,25-Fachen und einem Dreifachen einer mittleren Kantenlänge der Halbleiterchips 3.
  • Optional befinden sich um die matrixartig angeordneten Halbleiterchips 1 herum Thermo-Vias 9. Über die Thermo-Vias 9 ist eine thermisch leitende Verbindung von der Wärmeleitstruktur 5 zu dem Träger 2 realisierbar. Beispielsweise sind die Thermo-Vias 9 durch Metall gefüllte Ausnehmungen durch das Isolationsmaterial 7 hindurch gebildet. Die Thermo-Vias 9 befinden sich insbesondere in Regionen, in denen keine Kontaktstruktur 8 zwischen der Wärmeleitstruktur 5 und dem Isolationsmaterial 7 vorhanden ist, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern.
  • Es ist möglich, dass die Anordnung gemäß 3 zu Halbleiterbauteilen 1 mit nur einem Halbleiterchip 3 vereinzelt wird. In diesem Fall können die Thermo-Vias 9 auch um jeden einzelnen Halbleiterchip 3 herum angebracht sein.
  • In 4A ist in einer Schnittdarstellung und in 4B in einer Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 1 dargestellt. Auf dem Träger 2, beispielsweise einer Keramik, ist der Halbleiterchip 3 aufgebracht. An der Strahlungsaustrittsseite 30 befindet sich das Konversionselement 4. Das Konversionselement 4 umfasst mehrere Wärmeleitelemente 6. Die Wärmeleitelemente 6 erstrecken sich parallel zur Strahlungsaustrittsseite 30 in mehreren Lagen. Die Wärmeleitelemente 6 sind netzartig geformt, vergleiche 4B.
  • Durch die Wärmeleitelemente 6 ist eine Entwärmung aus dem Inneren des Konversionselements 4 heraus effizient möglich. Beispielsweise sind die Wärmeleitelemente 6 durch reflektierende Metallfäden gebildet, etwa aus Silber. Ein Durchmesser der das Netz bildenden Fäden liegt beispielsweise zwischen einschließlich 10 nm und 5 μm, insbesondere zwischen einschließlich 10 nm und 0,5 μm. Anstelle von Netzen können die Wärmeleitelemente 6 auch durch Fäden gebildet sein, die sternförmig von der Wärmeleitstruktur 5 ausgehen können, vergleiche 4C.
  • Derartige Wärmeleitelemente 6 sind in das Konversionselement 4 beispielsweise während eines Spritzprozesses, Gießprozesses, Dispensprozesses oder Walzens einbringbar.
  • Das Halbleiterbauteil 1 wird über eine Unterseite des Trägers 2 über Kontaktstellen 8b, 8c elektrisch kontaktiert. An der Strahlungsaustrittsseite 30 befindet sich ein Kontaktpad 8e, das über die Kontaktstruktur 8a, 8d mit der Kontaktstelle 8c an der Unterseite elektrisch verbunden ist, vergleiche auch 4B. Über dem Isolationsmaterial 7 können die Kontaktstrukturen 8a, 8b großflächig aufgebracht sein und so zu einer Entwärmung des Konversionselements 4 dienen. Die Kontaktstruktur 8d bildet auch die Wärmeleitstruktur 5 und steht in lateraler Richtung in unmittelbarem Kontakt zu dem Konversionselement 4. Die Wärmeleitelemente 6 stehen ebenfalls stellenweise in direktem Kontakt mit der Wärmeleitstruktur 5.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß der 5A und 5B ist das Wärmeleitelement 6 durch mehrere Platten gebildet, die, in Draufsicht gesehen, ganzflächig durch das Konversionselement 4 verlaufen. Beispielsweise handelt es sich bei den Platten um dünne Schichten aus einem transparenten, wärmeleitfähigen Material, beispielsweise um dünne Diamantschichten. Eine Dicke der Schichten liegt beispielsweise zwischen einschließlich 5 nm und 10 μm, insbesondere zwischen einschließlich 100 nm und 2 μm. Abweichend von der Darstellung gemäß 5 kann auch nur eines der Wärmeleitelemente 6 vorhanden sein.
  • Gemäß den 6A und 6B sind die Wärmeleitelemente 6 durch ausgerichtete, längliche Füllstoffe gebildet, beispielsweise Nanoröhren oder Nanodrähte, etwa aus Kohlenstoff oder aus einem Metall. Eine Ausrichtung der Füllstoffe für die Wärmeleitelemente 6 kann beim Herstellen des Konversionselements durch Anlegen elektrischer Felder oder durch ein Walzen erzielt werden. Die Konversionselemente 6 verlaufen auch gemäß 6 im Wesentlichen parallel zu der Strahlungsaustrittsseite 30 und sind ebenenartig angeordnet.
  • Derartige Wärmeleitelemente 6, wie in den 4 bis 6 dargestellt, können auch in den Ausführungsbeispielen gemäß der 1 bis 3 vorhanden sein. Ebenfalls kann eine elektrische Kontaktierung gemäß der 4 bis 6 bei Bauteilen gemäß der 1 bis 3 zum Einsatz kommen.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist das Isolationsmaterial 7 als dünne Schicht dargestellt, die die Hauptseite 20 sowie die Chipflanken 35 und Teile der Strahlungsaustrittsseiten 30 bedeckt, Eine Dicke des Isolationsmaterials beträgt zum Beispiel höchstens 1 µm. Die Wärmeleitstruktur 5 befindet sich, entlang einer lateralen Richtung, stellenweise neben den Chipflanken 35. Eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterchips 3 erfolgt an einer Stelle der Strahlungsaustrittsseiten 30 über die Wärmeleitstruktur 5, wie auch in den 4 bis 6.
  • Optional ist, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, an einer Vorderseite des Halbleiterbauteils 1 eine Schutzschicht 75 angebracht, etwa mit einem Siliziumoxid. Bei der Schutzschicht 75 kann es sich auch um einen Filter, beispielsweise für UV-Strahlung, handeln. Ebenso ist es möglich, dass die Schutzschicht 75 als Antireflexschicht ausgeführt ist.
  • In 8 ist eine Abwandlung eines Halbleiterbauteils gezeigt. Der Halbleiterchip 3 befindet sich in einer im Querschnitt gesehen trapezförmigen Ausnehmung, die mit dem Konversionselement 4 gefüllt ist. Da das Konversionselement 4 eine vergleichsweise große Ausdehnung aufweist, ist es nur schwer entwärmbar.
  • Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2009/0127573 A1 [0051]

Claims (14)

  1. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit – einem Träger (2) mit einer Montageseite (20), – mindestens einem Halbleiterchip (3) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung, der an der Montageseite (20) angebracht ist und der eine Strahlungsaustrittsseite (30) aufweist, wobei die Strahlungsaustrittsseite (30) der Montageseite (20) abgewandt ist, – mindestens einem Konversionselement (4) zur wenigstens teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung mit einer größeren Wellenlänge, wobei das Konversionselement (4) auf der Strahlungsaustrittsseite (30) angebracht ist, und – mindestens einer Wärmeleitstruktur (5) zur Entwärmung des Konversionselements (4), wobei sich die Wärmeleitstruktur (5) außerhalb des Konversionselements (4) befindet und, in einer lateralen Richtung parallel zu der Strahlungsaustrittsseite (30), mindestens stellenweise in direktem Kontakt zu dem Konversionselement (4) steht.
  2. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Konversionselement (4) mindestens ein Wärmeleitelement (6) zur Entwärmung des Konversionselements (4) umfasst, wobei sich das Wärmeleitelement (6) innerhalb des Konversionselements (4) befindet und stellenweise in direktem Kontakt zu der Wärmeleitstruktur (5) steht, und wobei eine Haupterstreckungsrichtung des Wärmeleitelements (6) parallel zu der Strahlungsaustrittsseite (30) orientiert ist.
  3. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das mindestens eine Wärmeleitelement (6) Fäden, ein Netz, eine Platte und/oder langgestreckte Füllstoffpartikel aus einem wärmeleitfähigen Material umfasst oder hieraus besteht, wobei ein Volumenanteil des Wärmeleitelements (6) an dem gesamten Konversionselement (4) höchstens 10 % beträgt, und wobei eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials des Wärmeleitelements (6) um mindestens einen Faktor 10 über der mittleren Wärmeleitfähigkeit der restlichen Komponenten des Konversionselements (4) liegt.
  4. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeleitstruktur (5) das Konversionselement (3) in lateraler Richtung ringsum umgibt, und wobei eine Mehrzahl der Halbleiterchips (3) matrixartig an der Montageseite (20) angeordnet ist.
  5. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeleitstruktur (5) aus einem Metall oder einer Metalllegierung geformt und einstückig ist.
  6. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips (3) mindestens zum Teil über die Wärmeleitstruktur (5) erfolgt.
  7. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine Halbleiterchip (3) in lateraler Richtung ringsum von einem Isolationsmaterial (7) umgeben ist, wobei das Isolationsmaterial (7), ausgehend von der Montageseite (20), mindestens bis zur Strahlungsaustrittsseite (30) reicht und elektrisch isolierend sowie thermisch leitfähig ist, und wobei die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmaterials (7) mindestens 1 W/mK beträgt.
  8. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Wärmeleitstruktur (5), in Richtung weg von der Montageseite (20), dem Isolationsmaterial (7) nachfolgt.
  9. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeleitstruktur (5) Kühlrippen (50) umfasst, wobei sich die Kühlrippen (50) und der Halbleiterchip (3) an derselben Seite des Trägers (2) befinden und die Kühlrippen (50) sich von der Montageseite (30) weg erstrecken.
  10. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeleitstruktur (5) mindestens in Bereichen, in denen die Wärmeleitstruktur (5) in direktem Kontakt mit dem Konversionselement (4) steht, eine Aufrauung (55) aufweist.
  11. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Konversionselement (4) in direktem Kontakt zu einer elektrischen Kontaktstruktur (8) steht, wobei die Kontaktstruktur (8) von der Wärmeleitstruktur (5) elektrisch isoliert ist.
  12. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) zumindest nach Anspruch 7 und dem vorhergehenden Anspruch, bei dem sich die elektrische Kontaktstruktur (8) stellenweise zwischen der Wärmeleitstruktur (5) und dem Isolationsmaterial (7) befindet.
  13. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeleitstruktur (5) und das Konversionselement (4), in eine Richtung weg von der Montageseite (30), bündig abschließen.
  14. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils (1) mit den Schritten: – Bereitstellen eines Trägers (2) mit einer Montageseite (20), – Anbringen mindestens eines Halbleiterchips (3) an der Montageseite (20), wobei eine Strahlungsaustrittsseite (30) des Halbleiterchips (3) der Montageseite (20) abgewandt ist, – Anbringen eines wärmeleitfähigen Isolationsmaterials (7) ringsum um den Halbleiterchip (3), wobei das Isolationsmaterial (7) elektrisch isolierend ist und eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/mK aufweist, – Aufbringen einer elektrischen Kontaktstruktur (8) an einer der Montageseite (20) abgewandten Oberseite (70) des Isolationsmaterials (7) und an der Strahlungsaustrittsseite (30), – Anbringen einer Wärmeleitstruktur (5) an der Oberseite (70) und/oder an der Strahlungsaustrittsseite (30), – Anbringen eines Konversionselements (4) an der Strahlungsaustrittsseite (30), wobei die Wärmeleitstruktur (5), in einer lateralen Richtung parallel zu der Strahlungsaustrittsseite (30), mindestens stellenweise in direktem Kontakt zu dem Konversionselement (4) steht.
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