DE102011087709B4

DE102011087709B4 - Halbleiteranordnung und verfahren zum fertigen einer halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE102011087709B4
Application number: DE102011087709.6A
Authority: DE
Inventors: Lambert Frye; Christian Hermes; Christian Iniotakis; Rainhard Mannbeiß
Original assignee: Ledvance GmbH
Current assignee: Ledvance GmbH
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: DE102011087709A1

Abstract

Halbleiteranordnung mit wenigstens einer Halbleitereinheit (12, 16) und mit wenigstens einem Wärmeübertragungskörper (14), auf welchen im Betrieb der wenigstens einen Halbleitereinheit (12, 16) von dieser freigesetzte Wärme übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Halbleitereinheit (12, 16) zu zumindest zwei Seiten hin von dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) eingefasst ist, wobei durch den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) eine Flächenpressung auf eine Mantelfläche (32) zumindest eines Teilbereichs der wenigstens einen Halbleitereinheit (12, 16) aufgebracht ist, wobei die wenigstens eine Halbleitereinheit (12) wenigstens ein als Leuchtdiode (16) ausgebildetes Halbleiterelement und ein das wenigstens eine Halbleiterelement tragendes mit dem wenigstens einen Halbleiterelement verbundenes Trägerelement (18) umfasst, und wobei das Trägerelement (18) kraftschlüssig und/oder formschlüssig in einem als Durchtrittsöffnung (30) ausgebildeten Aufnahmeraum fixiert ist, welcher in dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) ausgebildet ist, wobei durch das Einbringen des Trägerelements (18) in den Aufnahmeraum (30) eine oberseitige Schicht (28) des Halbleiterelements (16) in zumindest einem Bereich (38) mit einem elektrischen Leiter (34) zum elektrischen Kontaktieren ohne weiteres Kontaktierungsverfahren in Anlage gebracht ist, welcher gegenüber dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) elektrisch isoliert ist, wobei durch den elektrischen Leiter (34) ein Anschlag für das Einbringen gebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Halbleiteranordnung mit wenigstens einer Halbleitereinheit und mit wenigstens einem Wärmeübertragungskörper. Auf den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper ist im Betrieb der wenigstens einen Halbleitereinheit von dieser freigesetzte Wärme übertragbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen einer solchen Halbleiteranordnung.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Halbleitereinheit wie einen Leuchtdioden-Chip durch so genanntes Chipbonden oder Die-Bonden auf eine Wärmesenke aufzubringen. Hierbei wird der Chip auf die Wärmesenke aufgelötet oder geklebt, wobei eine Wärmeleitpaste dafür sorgen kann, dass ein besserer Wärmeübergang von der Bodenseite des Chips hin zur Wärmesenke stattfindet. Die Druckschrift DE 29 08 460 A1 beschreibt eine LED-Baugruppe und ein Verfahren zum Herstellen der LED-Baugruppe, wobei das Verfahren ein Formen mehrerer mit einem Trägerband einstückig ausgebildeter Kontakte aus Metallblech mit Federschenkeln zum Einsetzten der LED zwischen ihre freien Enden umfasst. Die Druckschrift US 2011 0 248 616 A1 beschreibt ein LED-Modul mit einem vergossenen LED-Chip, mit einem Kühlkörper und mit einer Leiterplatte, wobei der Kühlkörper mit der LED thermisch verbunden ist und die Leiterplatte mit der LED elektrisch verbunden ist. Die Druckschrift DE 33 38 165 C2 beschreibt eine Halbleiterbaueinheit mit Halbleiterbauelementen und Montage- sowie Kühlvorrichtung, wobei die Halbleiterbauelemente zwischen metallischen Zylinderelementen angeordnet und mit einer unter Federspannung stehenden Anpressvorrichtung in elektrischer und thermischer Verbindung gehalten werden. Die Druckschrift US 2011 / 0 111 536 A1 beschreibt ein Verfahren zum Anbinden eines LED-Moduls an einer Wärmesenke, wobei das Verfahren ein Platzieren des LED-Moduls in eine Ausnehmung in der Wärmesenke und ein Erweitern eines Teils des LED-Moduls zur Sicherung des LED-Moduls umfasst. Die Druckschrift JP 3 138 403 U beschreibt eine LED-Struktur und eine Anbindungsvorrichtung für die LED-Struktur, wobei die LED-Struktur eine konvexe Basis mit Schraubgewinde zum direkten Anbinden mit einer Wärmesenke aufweist. Die Druckschrift US 2006 / 0 198 147 A1 beschreibt eine LED-Ampel-Lampe, in welcher LEDs auf einem Kühlkörper mit einer flachen wärmeabführenden Platte in der Nähe eines Brennpunktes eines parabolischen Lichtreflektors der LED-Ampel-Lampe angeordnet sind.
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass die elektrische Kontaktierung der Halbleitereinheit aufwändig ist, und dass dennoch der Wärmeübergang auf die Wärmesenke oder einen Wärmeübertragungskörper oft nicht zufriedenstellend ist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Fertigen einer solchen Halbleiteranordnung zu schaffen, welche bzw. welches eine vereinfachte elektrische Kontaktierung bzw. eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleiteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist die wenigstens eine Halbleitereinheit zu zumindest zwei Seiten hin von dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper, auf welchen im Betrieb der wenigstens einen Halbleitereinheit von dieser freigesetzte Wärme übertragbar ist, eingefasst. Dabei ist durch den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper eine Flächenpressung auf eine Mantelfläche zumindest eines Teilbereichs der wenigstens einen Halbleitereinheit aufgebracht. Durch das Aufbringen der Flächenpressung werden besonders große effektive Kontaktbereiche zwischen der Mantelfläche und dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper geschaffen. Dies liegt daran, dass aufgrund des Drucks eine Rauhigkeit der aneinander angrenzenden Flächen im Kontaktbereich abnimmt. So wird ein Kontaktbereich mit hohem Tragprofil und geringen bis nicht vorhandenen Spalten erzielt. Die wenigstens eine Halbleitereinheit umfasst wenigstens ein als Leuchtdiode ausgebildetes Halbleiterelement und ein das wenigstens eine Halbleiterelement tragendes mit dem wenigstens einen Halbleiterelement verbundenes Trägerelement.
Des Weiteren ist das Trägerelement kraftschlüssig und/oder formschlüssig in einem als Durchtrittsöffnung ausgebildeten Aufnahmeraum fixiert, welcher in dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper ausgebildet ist, wobei durch das Einbringen des Trägerelements in den Aufnahmeraum eine oberseitige Schicht des Halbleiterelements in zumindest einem Bereich mit einem elektrischen Leiter zum elektrischen Kontaktieren ohne weiteres Kontaktierungsverfahren in Anlage gebracht ist, welcher gegenüber dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper elektrisch isoliert ist, wobei durch den elektrischen Leiter ein Anschlag für das Einbringen gebildet ist. Der Kraftschluss zwischen dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper und der Mantelfläche kann sogar zu einer Verbindung führen, welcher einer durch mikroskopisches Verschweißen erreichbaren Verbindung gleicht, wie sie etwa mittels eines Reibschweißverfahrens geschaffen wird.
Aufgrund des besonders guten Kontakts zwischen der Mantelfläche und dem Wärmeübertragungskörper ist ein besonders guter Wärmeübergang erreichbar, sodass im Betrieb der Halbleitereinheit die von dieser freigesetzte Wärme besonders gut abgeführt werden kann. Dies erlaubt es, auf Hilfsstoffe, wie Wärmeleitpasten, Kleber und dergleichen zu verzichten. Die mit der Flächenpressung einhergehende Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche, welche die besonders gute Wärmeabfuhr ermöglicht, erlaubt es zudem, die Betriebstemperatur der Halbleiteranordnung auf die zulässige Betriebstemperatur des Halbleitermaterials zu erhöhen. Alternativ kann die Halbleiteranordnung verkleinert werden, da selbst mittels eines kleiner als üblich dimensionierten Wärmeübertragungskörpers eine besonders effiziente Wärmeabfuhr von der Halbleitereinheit erreicht wird.
Ein besonders steiler Wärmegradient führt zu einem besonders hohen Wirkungsgrad des Kühlsystems, und eine Reduktion der Abmessungen des wenigstens einen Wärmeübertragungskörpers und/oder eines Kühlkörpers ist möglich. Der besonders hohe Wirkungsgrad des Wärmeübergangs zwischen der Mantelfläche einerseits und dem Wärmeübertragungskörper andererseits wird durch die Flächenpressung erreicht. Zudem sorgt die Flächenpressung für eine sichere Festlegung der Halbleitereinheit an dem Wärmeübertragungskörper, wobei zusammen mit der mechanischen Fixierung eine elektrische Kontaktierung der Halbleitereinheit auf einfache Weise ermöglicht ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die wenigstens eine Halbleitereinheit durch wenigstens ein Halbleiterelement gebildet sein. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Halbleiteranordnung. Das Halbleiterelement kann hierbei über seine komplette Mantelfläche oder einen Teilbereich derselben kraftschlüssig mit dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper verbunden sein. Auch kann zusätzlich eine Bodenfläche des Halbleiterelements mit dem Wärmeübertragungskörper in Anlage sein, um eine besonders große Wärmeübertragungsfläche bereitzustellen.
Die Halbleitereinheit kann insbesondere als Leuchtdiode (LED) ausgebildet sein. Bei einer Leuchtdiode ist nämlich die Lichtausbeute sehr stark von der Temperatur abhängig. Bei steigender Temperatur nimmt entsprechend die Leistung der Leuchtdiode ab, sodass eine effiziente Kühlung der Leuchtdiode ihrer Lichtleistung zuträglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die wenigstens eine Halbleitereinheit wenigstens ein Halbleiterelement und ein Trägerelement, welches das wenigstens eine Halbleiterelement trägt. Hierbei können sowohl das Halbleiterelement, welches insbesondere als Leuchtdiode ausgebildet sein kann, und das Trägerelement von dem Wärmeübertragungskörper eingefasst sein. Im Hinblick auf die Empfindlichkeit des Halbleiterelements gegenüber einer mechanischen Kraftbeaufschlagung ist es hierbei jedoch günstig, wenn lediglich das Trägerelement durch den Wärmeübertragungskörper mit der auf seine Mantelfläche wirkenden Flächenpressung beaufschlagt ist. Dann lässt sich über das Trägerelement besonders gut Wärme an den Wärmeübertragungskörper abführen, wodurch eine besonders effiziente Kühlung des Halbleiterelements erreicht wird.
Das Halbleiterelement kann auf das Trägerelement lediglich aufgelegt sein. Hierbei kann das Halbleiterelement einen Anschlag erreichen, wenn es auf dem Trägerelement angeordnet in einen in dem Wärmeübertragungskörper bereitgestellten Aufnahmeraum eingebracht wird. In einem solchen Fall kann der zwischen dem Trägerelement und Wärmeübertragungskörper vorliegende Kraftschluss im Zusammenwirken mit dem Anschlag, welchen das Halbleiterelement erreicht, dafür sorgen, dass sich eine hinreichend feste Anbindung des Halbleiterelements an das Trägerelement einstellt.
Alternativ kann, um die Handhabung des das Halbleiterelement tragenden Trägerelements zu erleichtern, das Halbleiterelement mit dem Trägerelement verbunden sein. Dies kann beispielsweise durch Auflöten des Halbleiterelements auf das Trägerelement erfolgen.
Bevorzugt ist das Trägerelement kraftschlüssig in einem Aufnahmeraum fixiert, welcher in dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper ausgebildet ist. Zusätzlich kann zum Festlegen des Trägerelements im Aufnahmeraum wenigstens ein Formschlusselement vorgesehen sein. Durch die kraftschlüssige Fixierung des Trägerelements in dem Aufnahmeraum ist einerseits ein besonders guter Wärmeübergang von dem Trägerelement auf den Wärmeübertragungskörper erreichbar. Zudem kann auf Hilfsstoffe, etwa einen Klebstoff oder eine Wärmeleitpaste, verzichtet werden.
Das Trägerelement kann in dem Aufnahmeraum sowohl mit seiner Mantelfläche an Wandungen des Aufnahmeraums anliegen als auch zusätzlich mit einer Bodenfläche an einem Boden des Aufnahmeraums, so dass eine besonders große Wärmeübergangsfläche geschaffen ist.
Der Aufnahmeraum kann insbesondere als Durchtrittsöffnung ausgebildet sein, sodass das Trägerelement mit dem auf diesem angeordneten Halbleiterelement in die Durchtrittsöffnung eingeschoben werden kann, wobei sich beim Einschieben die kraftschlüssige Verbindung des Trägerelements mit dem Wärmeübertragungskörper einstellt. Hierbei kann insbesondere eine Presspassung vorgesehen sein, etwa indem das Trägerelement geringfügig größer ist als die Durchtrittsöffnung, welche insbesondere als Bohrung ausgebildet sein kann. Beispielsweise führt ein Übermaß des Trägerelements in Bezug auf die Durchtrittsöffnung von 1 % bis 2 % zu einer besonders sicheren kraftschlüssigen Verbindung des Trägerelements mit dem Wärmeübertragungskörper.
Das wenigstens eine Halbleiterelement kann über eine bodenseitige Schicht des wenigstens einen Halbleiterelements das Trägerelement elektrisch kontaktieren. Zusätzlich oder alternativ kann das wenigstens eine Halbleiterelement den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper über zumindest einen Teilbereich seiner Mantelfläche elektrisch kontaktieren. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Halbleiteranordnung kann auf ein Chipbonden oder Die-Bonden des Halbleiterelements verzichtet werden. Dadurch gestaltet sich die Fertigung der Halbleiteranordnung besonders einfach.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass durch das Einbringen des Trägerelements in den Aufnahmeraum eine oberseitige Schicht des Halbleiterelements in zumindest einem Bereich mit einem elektrischen Leiter in Anlage gebracht ist, welcher gegenüber dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper elektrisch isoliert ist. Es kann also durch das Einschieben des Trägerelements in den Aufnahmeraum der elektrische Kontakt mit der oberseitigen Schicht des Halbleiterelements dadurch erreicht werden, dass durch den elektrischen Leiter ein Anschlag für die Bewegung des mit dem Halbleiterelement versehenen Trägerelements gebildet ist. Eine derartige oberseitige elektrische Kontaktierung des Halbleiterelements ermöglicht es, auf Drahtbonden oder Wire-Bonden der oberseitigen Schicht des Halbleiterelements zu verzichten. So kann auf besonders einfache Art und Weise durch das Einbringen des Trägerelements in den Aufnahmeraum die bodenseitige einerseits und die oberseitige Kontaktierung andererseits des Halbleiterelements ohne zusätzlich Kontaktierprozesse wie das Anbringen eines Drahts oder das Auflöten des Halbleiterelements auf ein Substrat vorgenommen werden.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn ein in dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper ausgebildeter Aufnahmeraum, in welchem die wenigstens eine Halbleitereinheit zumindest bereichsweise aufgenommen ist, außenumfangsseitig geschlossen ist. Durch eine solche Ausbildung des Aufnahmeraums lässt sich nämlich eine besonders starke Flächenpressung mit hohen Anpressdrücken erreichen, da ein geschlossenes Kraftsystem vorliegt. Es kann hierbei der Wärmeübertragungskörper erwärmt und somit der Aufnahmeraum geweitet werden, bevor die Halbleitereinheit in diesen eingebracht wird. Beim Erkalten des Wärmeübertragungskörpers wird dann die Halbleitereinheit wirksam allseitig umschlossen.
Eine derartige Verbindung ist insbesondere dann besonders aufwandsarm realisierbar, wenn der Wärmeübertragungskörper aus einem Metall gebildet ist. Zudem lässt sich durch das Vorsehen des Aufnahmeraums der Anbringungsort der Halbleitereinheit an dem Wärmeübertragungskörper besonders gut vorgeben, da dieser über die Lage des Aufnahmeraums besonders präzise definiert ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Halbleitereinheit eine Leuchtdiode umfasst, welche relativ zu wenigstens einer Linse oder dergleichen optischen Einrichtung positioniert werden soll.
Des Weiteren kann durch Einbringen der Halbleitereinheit in den Aufnahmeraum eine Höhenlage des Halbleiterelements relativ zu dem Wärmeübertragungskörper wie gewünscht eingestellt werden. Die Halbleitereinheit ist also in Bezug auf ihre Einführrichtung in den Aufnahmeraum frei justierbar. Auch dies ist von Bedeutung, wenn ein Abstand der Halbleitereinheit zu einer optischen Einrichtung wie einer Linse oder einer Mehrzahl von Linsen möglichst präzise vorgegeben werden soll.
Auch beim Festlegen der Halbleitereinheit in dem außenumfangsseitig geschlossenen Aufnahmeraum mittels einer Presspassung ist eine solche freie Justierbarkeit der Halbleitereinheit möglich. Die Flächenpressung erhöht hierbei das Tragprofil, da die Halbleitereinheit unter Kraft gefügt wird.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens eine Halbleitereinheit zumindest in einem Bereich, in welchem sie in einem Aufnahmeraum aufgenommen ist, welcher in dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper bereitgestellt ist, eine gekrümmte Außenkontur aufweist. Durch eine solche, anstelle von Ecken und Kanten lediglich gerundete Bereiche aufweisende Außenkontur lassen sich besonders hohe und außenumfangsseitig besonders gleichmäßige Anpresskräfte erzielen. Dies ist einer guten Wärmeabfuhr von der Halbleitereinheit auf den Wärmeübertragungskörper zuträglich.
Zudem erleichtert der Verzicht auf Ecken oder Kanten der Halbleitereinheit deren Einbringen in den Aufnahmeraum, in welchem die Flächenpressung auf die Halbleitereinheit wirkt. An gekrümmten Außenkonturen können eine ovale oder elliptische Formgebung vorgesehen sein. Es können jedoch auch lediglich Rundungen oder gekrümmte Bereiche aufweisende weitere beliebige Freiformen der Halbleitereinheit vorliegen.
Insbesondere kann die Halbleitereinheit rotationssymmetrisch ausgebildet sein, beispielsweise im Querschnitt kreisförmig. Bei einer solchen rotationssymmetrischen Ausbildung der Halbleitereinheit lässt sich diese um ihre Rotationsachse verdrehen. Auch dies ist im Hinblick auf die Ausrichtung einer Leuchtdiode der Halbleitereinheit relativ zu einer optischen Einrichtung vorteilhaft.
Der Wärmeübertragungskörper kann direkt als Wärmesenke ausgebildet sein. Es kann jedoch auch die Halbleiteranordnung einen Kühlkörper umfassen, wobei der wenigstens eine Wärmeübertragungskörper in zumindest einem Teilbereich seiner Stirnseite und/oder seiner Mantelfläche mit dem Kühlkörper in Anlage ist. Der Wärmeübertragungskörper kann also auf dem Kühlkörper stirnseitig aufliegend oder zumindest bereichsweise in dem Kühlkörper versenkt an diesem angeordnet sein. Eine solche Anordnung erlaubt es insbesondere, den Kühlkörper unabhängig von den weiteren Komponenten der Halbleiteranordnung zu fertigen, und erst anschließend den Wärmeübertragungskörper mit dem Kühlkörper in Anlage zu bringen. Zudem können auch eine Mehrzahl von Wärmeübertragungskörpern mit diesen zugeordneten Halbleitereinheiten an ein und demselben Kühlkörper angeordnet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der wenigstens eine Wärmeübertragungskörper zumindest zwei die Flächenpressung aufbringende Federelemente, zwischen welchen die wenigstens eine Halbleitereinheit angeordnet ist. Derartige, vorgespannte Federelemente ermöglichen ein besonders einfaches und sicheres Anbringen der Halbleitereinheit an dem Wärmeübertragungskörper. Zudem kann die Halbleitereinheit bodenseitig ebenfalls mit einem Bereich des Wärmeübertragungskörpers in Anlage sein, welcher zwischen den wenigstens zwei Federelementen angeordnet ist, um eine besonders große Wärmeübertragungsfläche bereitzustellen.
Um besonders einfach eine besonders große Flächenpressung auf die Mantelfläche zumindest des Teilbereichs der wenigstens einen Halbleitereinheit aufzubringen, kann es weiterhin vorgesehen sein, dass wenigstens zwei relativ zueinander bewegbare Teilbereiche oder Teilstücke des wenigstens einen Wärmeübertragungskörpers mittels wenigstens eines Spannmittels miteinander verspannt sind. Wenn lediglich zwei bewegbare Teilbereiche des Wärmeübertragungskörpers vorliegen, so kann durch Anziehen des wenigstens einen Spannmittels die Flächenpressung auf die Mantelfläche aufgebracht werden, und die Größe der Flächenpressung lässt sich besonders gut dosieren. Hierfür können auch wenigstens zwei Teilstücke des Wärmeübertragungskörpers miteinander verspannt werden, wobei durch das Verspannen der Teilstücke miteinander insbesondere ein umfangsseitig geschlossener Aufnahmeraum für die wenigstens eine Halbleitereinheit bereitgestellt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fertigen einer Halbleiteranordnung gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen wenigstens einer Halbleitereinheit und wenigstens eines Wärmeübertragungskörpers, auf welchen im Betrieb der wenigstens einen Halbleitereinheit von dieser freigesetzte Wärme übertragbar ist; und
b) Einfassen der wenigstens einen Halbleitereinheit durch den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper zu zumindest zwei Seiten hin, wobei durch den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper eine Flächenpressung auf eine Mantelfläche zumindest eines Teilbereichs der wenigstens einen Halbleitereinheit aufgebracht wird, wobei das Einfassen ein Einbringen des Trägerelements in den Aufnahmeraum umfasst, wobei die oberseitige Schicht des Halbleiterelements in zumindest einem Bereich mit dem elektrischen Leiter zum elektrischen Kontaktieren ohne weiteres Kontaktierungsverfahren in Anlage gebracht wird, welcher gegenüber dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper elektrisch isoliert ist, und wobei durch den elektrischen Leiter ein Anschlag für die Einbringbewegung gebildet ist.

Die für die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Figurenliste
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

1 schematisch und in einer Schnittansicht eine Halbleiteranordnung, bei welcher eine auf einem Stempel angeordnete Leuchtdiode durch das Einbringen des Stempels in einen Wärmeübertragungskörper sowohl bodenseitig als auch oberseitig elektrisch kontaktiert ist;
2 eine Halbleiteranordnung, bei welcher ein Stempel, auf welchem eine Leuchtdiode angeordnet ist, außenumfangsseitig von einem Kühlkörper umschlossen ist;
3 ausschnittsweise den in einem Aufnahmeraum des Wärmeübertragungskörpers angeordneten Stempel sowie in einer Detailansicht vergrößert den aufgrund der Flächenpressung besonders glatten Kontaktbereich zwischen einer Mantelfläche des Stempels und dem diesen umgebenden Wärmeübertragungskörper;
4 das Verschieben des Stempels in dem Aufnahmeraum des Wärmeübertragungskörpers entlang einer Hochrichtung des Stempels;
5 eine Halbleiteranordnung, bei welcher der Wärmeübertragungskörper auf einem weiteren Kühlkörper angeordnet ist;
6 beispielhafte Formen für Stempel und/oder Halbleiterelemente, welche kraftschlüssig an einem Wärmeübertragungskörper festlegbar sind;
7 das Einklemmen eines Halbleiterelements zwischen zwei Seitenplatten eines Wärmeübertragungskörpers;
8 eine Halbleiteranordnung, bei welcher der Halbleiter mittels Presspassung in einem in dem Wärmeübertragungskörper ausgebildeten Aufnahmeraum fixiert ist;
9 das Festlegen eines Halbleiters in einem nicht vollständig außenumfangsseitig geschlossenen Aufnahmeraum durch Anziehen eines Spannmittels;
10 das Festlegen des Halbleiters in einem Aufnahmeraum, welcher durch zwei miteinander verspannte Teilstücke des Wärmeübertragungskörpers gebildet ist;
11 eine Halbleiteranordnung mit einem in einem Wärmeübertragungskörper angeordneten Halbleiter in einer schematischen Schnittansicht; und
12 eine Halbleiteranordnung, bei welcher ein Stempel, welcher ein Halbleiterelement trägt, in dem Wärmeübertragungskörper angeordnet ist.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine Halbleiteranordnung 10, welche eine Halbleitereinheit 12 und einen Wärmeübertragungskörper 14 umfasst. Die Halbleitereinheit 12 umfasst bei der Halbleiteranordnung 10 gemäß 1 eine Leuchtdiode 16, welche auf einem Stempel 18 angeordnet ist. Über eine bodenseitige Schicht 20 der Leuchtdiode 16 ist diese mit dem Stempel 18 in elektrisch leitendem Kontakt. Zusätzlich oder alternativ kann die Leuchtdiode 16 über die Mantelfläche eines Trägermaterials 22 der Leuchtdiode 16 mit dem Wärmeübertragungskörper 14 in elektrisch leitendem Kontakt sein.
Zu der Leuchtdiode 16 gehören des Weiteren eine Mehrzahl von Schichten 24, 26, 28, von welchen die oberste Schicht 28 eine freie Oberfläche der Leuchtdiode 16 bildet, über welche im Betrieb das Licht austritt.
Der als Trägerelement für die Leuchtdiode 16 dienende Stempel 18 ist von unten in einen Aufnahmeraum eingebracht, welcher beispielsweise in Form einer Durchtrittsbohrung 30 in dem Wärmeübertragungskörper 14 ausgebildet ist. Der Stempel 18 ist hierbei kraftschlüssig in der Durchtrittsbohrung 30 fixiert. Mit anderen Worten bringt der Wärmeübertragungskörper 14 auf eine Mantelfläche 32 des Stempels 18 eine Flächenpressung auf, sodass ein sehr gut wärmeleitender Kontakt zwischen der Mantelfläche 32 des Stempels 18 und dem Wärmeübertragungskörper 14 ausgebildet ist.
Der Stempel 18 kann hierbei mittels einer Presspassung in die Durchtrittsbohrung 30 eingebracht sein, wobei der Stempel 18 ein geringes, beispielsweise 1 % bis 2 % betragendes Übermaß im Vergleich zu der Durchtrittsbohrung 30 aufweist.
Wenn der Stempel 18 mit der auf diesem angeordneten Leuchtdiode 16 von unten in die Durchtrittsbohrung 30 eingeschoben wird, so gelangt die oberseitige Schicht 28 der Leuchtdiode 16 in Kontakt mit einem elektrisch leitenden Metallrahmen 34, welcher mittels eines elektrischen Isolators 36 gegenüber dem Wärmeübertragungskörper 14 elektrisch isoliert ist. Auch der Stempel 18 und der Wärmeübertragungskörper 14 bestehen bevorzugt aus Metallen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer.
An der oberseitigen Schicht 28 der Leuchtdiode 16 sind elektrisch leitende Kontaktstellen 38 ausgebildet, über welche die elektrische Kontaktierung der Leuchtdiode 16 von oben hergestellt wird, wenn die Leuchtdiode 16 mit dem Metallrahmen 34 in Anlage gelangt. Üblicherweise wird eine Leuchtdiode 16 an ihrer Unterseite durch so genannten Chip-Bonden oder Die-Bonden elektrisch kontaktiert, und an ihrer Oberseite durch Drahtbonden oder Wire-Bonden.
Vorliegend kann sowohl auf das Die-Bonden als auch auf das Wire-Bonden verzichtet werden, da durch das Einpressen des Stempels 18 in die Durchtrittsbohrung 30 sowohl die elektrische Kontaktierung der unterseitigen Schicht 20 der Leuchtdiode 16 als auch elektrische Kontaktierung der oberseitigen Schicht 28 realisiert wird. Es wird also die elektrische Kontaktierung der Leuchtdiode 16 gleichzeitig mit deren mechanischer Fixierung erreicht.
Die Leuchtdiode 16 kann durch Löten mit dem Stempel 18 verbunden sein, oder sie kann auf dem Stempel 18 lediglich aufliegen, da sie durch die auf die Mantelfläche 32 des Stempels 18 ausgeübte Flächenpressung zwischen dem Metallrahmen 34 einerseits und dem Stempel 18 andererseits eingeklemmt und somit in ihrer Lage fixiert ist. Im Bereich des elektrischen Isolators 36 ist bevorzugt eine um die Leuchtdiode 16 außenumfangsseitig umlaufende Ausnehmung 40 vorgesehen, um sicherzustellen, dass die Leuchtdiode 16 lediglich an den dafür vorgesehenen Kontaktstellen 38 den Metallrahmen 34 kontaktiert.
In alternativen Ausführungsformen kann auch eine Mantelfläche der Leuchtdiode 16 durch den Wärmeübertragungskörper 14 mit der Flächenpressung beaufschlagt sein. Es erfolgt jedoch der Großteil der Wärmeabfuhr von der Leuchtdiode 16 in deren Betrieb über den Stempel 18, da aufgrund des innigen Kontakts desselben mit dem Wärmeübertragungskörper 14 die Wärme sehr gut auf den Wärmeübertragungskörper 14 übergehen und so abgeführt werden kann.
Bei der in 2 gezeigten Leuchtdiodenanordnung 10 ist als Aufnahmeraum in dem Wärmeübertragungskörper 14 ein Sackloch 42 vorgesehen, in welchem der Stempel 18 aufgenommen ist. Hierbei wird die Flächenpressung auf die Mantelfläche 32 des Stempels 18 dadurch erreicht, dass der Wärmeübertragungskörper 14 vor dem Einbringen des Stempels 18 in selbigen erhitzt wird. Durch die beim anschließenden Erkalten sich einstellende Schrumpfung wird eine außenumfangsseitig gleichmäßige und besonders starke Flächenpressung erreicht, der Stempel 18 wird also wirksam umschlossen.
Insbesondere aus der Detailansicht auf die Mantelfläche 32 in 3 geht besonders gut hervor, dass durch die Flächenpressung, welche sich im umfangsseitigen Kontaktbereich des Stempels 18 einstellt, eine Rauhigkeit der Mantelfläche 32 abnimmt und sich so ein besonders guter flächiger Kontakt zwischen der Mantelfläche 32 und dem Wärmeübertragungskörper 14 einstellt. Dadurch, dass der Stempel 18 bei dieser Ausführungsform auch mit seinem Boden 44 mit dem Wärmeübertragungskörper 14 in Kontakt ist, kann besonders viel Wärme von dem Halbleiterelement, beispielsweise also von der Leuchtdiode 16, abgeführt werden.
Aus 4 ist besonders gut ersichtlich, dass der Stempel 18 in die Hochrichtung z besonders gut frei justierbar in das Sackloch 42 eingebracht werden kann. Die Lage des Sacklochs 42 in dem Wärmeübertragungskörper 14 kann in einer Ebene, welche senkrecht zu der Hochachse z verläuft und durch die Achsen x und y aufgespannt ist, besonders gut vorgegeben werden. Dadurch lässt sich die Leuchtdiode 16 in dieser Ebene besonders präzise positionieren. Durch die freie Justierbarkeit in Richtung der Hochachse z, welche durch unterschiedlich weites Hineinschieben des Stempels 18 in das Sackloch 42 in eine Richtung erreicht wird, welche in 4 durch einen Pfeil 46 angegeben ist, lässt sich besonders gut ein Abstand der Leuchtdiode 16 von einer (nicht gezeigten) Optik einstellen, welche der Leuchtdiode 16 vorgeschaltet ist.
Über den Bereich der Mantelfläche 32, welcher mit dem Wärmeübertragungskörper 14 in Kontakt ist, lässt sich weiterhin aufgrund des guten flächigen Kontakts besonders viel Wärme von der Leuchtdiode 16 im Betrieb derselben abführen.
Auch bei der in 4 gezeigten Halbleiteranordnung 10 liegt ein geschlossenes Kraftsystem vor, bei welchem der Stempel 18 außenumfangsseitig vollständig von dem Wärmeübertragungskörper 14 eingeschlossen ist. Aufgrund der rotationssymmetrischen Gestalt des Stempels 18 ist dieser nicht nur besonders gleichmäßig mit Druck beaufschlagt, sondern er lässt sich auch um seine Hochachse z verdrehen. Auch dies kann dazu genutzt werden, die Leuchtdiode 16 wie gewünscht relativ zu der dieser vorgeschalteten Optik zu positionieren.
Bei der in 5 gezeigten Leuchtdiodenanordnung 10 ist der Wärmeübertragungskörper 14 auf einem Kühlkörper 48 angeordnet. Der Stempel 18 ist hierbei nicht so weit in den Wärmeübertragungskörper 14 versenkt, dass die Leuchtdiode 16 oberseitig bündig mit diesem abschließt. Vielmehr steht der Stempel 18 ein Stück weit über eine Oberseite des Wärmeübertragungskörpers 14 hervor. Um den Stempel 18 herum ist so Platz für weitere (nicht gezeigte) Komponenten der Leuchtdiodenanordnung 10, etwa für eine Steuerplatine und/oder für Reflektoren.
Der Wärmeübertragungskörper 14, welcher vorliegend stirnseitig auf dem Kühlkörper 48 aufliegt, kann ebenfalls zumindest ein Stück weit in diesen versenkt angeordnet sein, um eine besonders große Wärmeübergangsfläche zwischen dem Wärmeübertragungskörper 14 und dem Kühlkörper 48 auszubilden.
6 zeigt schematisch und beispielhaft Formen, welche der Stempel 18, oder wenn ein Halbleiterelement wie die Leuchtdiode 16 direkt über seine Mantelfläche 32 mit dem Wärmeübertragungskörper 14 in Kontakt sein soll, das Halbleiterelement, oder auch die den Stempel 18 und das Halbleiterelement umfassende Halbleitereinheit 12 aufweisen können.
Entsprechend ist hierbei bevorzugt im Querschnitt die Form eines Kreises 50, eines Ovals 52, einer Ellipse 54 oder eine keine Kanten, sondern lediglich eine gekrümmte Außenkontur aufweisenden Freiform 56 vorstellbar. Bei derartigen eckenlosen Mantelflächen kann besonders gut eine kraftschlüssige Verbindung zum Wärmeübertragungskörper 14 erreicht werden, durch welche eine besonders gute Wärmeabfuhr ermöglicht ist. In 6 ist des Weiteren durch einen Pfeil 58 der Lichtaustritt aus der Leuchtdiode 16 angegeben, deren Mantelfläche 32 im Querschnitt eine der ebenfalls in 6 gezeigten Formen aufweisen kann.
Aus 7 ist eine mögliche Art der Aufbringung einer Flächenpressung auf ein Halbleiterelement wie die in 1 beispielhaft gezeigte Leuchtdiode 16 schematisch veranschaulicht. So kann der Wärmeübertragungskörper 14 zwei vorgespannte, federnde Platten 60 umfassen, zwischen welchen die Leuchtdiode 16 angeordnet ist. Über die Platten 60 deren Größe vorliegend die Größe der Seitenflächen der Leuchtdiode 16 überschreitet, kann aufgrund der von diesen auf die Mantelfläche der Leuchtdiode 16 ausgeübten Flächenpressung besonders gut und besonders viel Wärme abgeführt werden.
Bei der in 8 gezeigten Halbleiteranordung 10 ist die Leuchtdiode 16 als Beispiel für ein Halbleiterelement derart in einen in dem Wärmeübertragungskörper 14 ausgebildeten Aufnahmeraum eingepresst, dass auf ihre außenumfangsseitig umlaufende Mantelfläche eine besonders große und besonders gleichmäßige Flächenpressung wirkt. Hierbei wird aufgrund der Presspassung und aufgrund der vollständigen Umschließung des Halbleiterelements eine besonders gute Wärmeabfuhr erreicht.
Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform ist der die Leuchtdiode 16 umschließende Aufnahmeraum, welcher durch den Wärmeübertragungskörper 14 gebildet ist, außenumfangsseitig nicht vollständig geschlossen. Vielmehr weist der Wärmeübertragungskörper 14 zwei miteinander verspannbare Teilbereiche 62 auf, welche über einen mit dem Aufnahmeraum kommunizierenden Schlitz 64 voneinander getrennt sind. Durch Anziehen eines lediglich schematisch gezeigten Spannmittels 66 - etwa in Form einer Spannschraube - können die beiden Teilbereiche 62 aufeinander zu bewegt und somit die Breite des Spalts 64 verringert werden. Dies führt zu einer Einengung des Aufnahmeraums und mit diesem der Leuchtdiode 16, sodass deren Mantelfläche außenumfangsseitig in einen besonders innigen Kontakt mit dem Wärmeübertragungskörper 14 gelangt.
Die auf die Leuchtdiode 16 wirkende starke Flächenpressung lässt sich auch erreichen, wenn der Wärmeübertragungskörper 14 wie in 10 beispielhaft veranschaulicht, zwei - oder mehr - voneinander trennbare Teilstücke 68 umfasst. Hier werden die beiden Teilstücke 68 durch zwei beidseitig des Aufnahmeraums angeordnete Spannmittel 66 miteinander verspannt. Dadurch wird die Größe des Aufnahmeraums reduziert und auf die Leuchtdiode 16 die Flächenpressung aufgebracht.
11 zeigt schematisch die kraftschlüssig in einem Aufnahmeraum angeordnete Leuchtdiode 16, welcher in dem Wärmeübertragungskörper 14 bereitgestellt ist. Hierbei sind über Haltenasen 70, welche als Anschläge wirken, Formschlusselemente bereitgestellt, welche zusätzlich eine formschlüssige Festlegung der Leuchtdiode 16 in dem Wärmeübertragungskörper 14 bewirken.
Auch bei der Halbleiteranordnung 10 gemäß 12 sind derartige Haltenasen 70 vorgesehen, welche hier jedoch die Halbleitereinheit 12, welche die Leuchtdiode 16 und Stempel 18 umfasst, unter Ausbildung eines Formschlusses in dem Aufnahmeraum festlegen, welcher in dem Wärmeübertragungskörper 14 bereitgestellt ist.
Zudem ist hier wie bei der Ausführungsform der Halbleiteranordnung 10 gemäß 1 die Mantelfläche 32 des Stempels 18 mit der Flächenpressung beaufschlagt. Sowohl bei der Ausführungsform gemäß 11 als auch bei der Ausführungsform gemäß 12 findet jedoch die kraftschlüssige Verbindung der Leuchtdiode 16 bzw. der Halbleitereinheit 12 mit dem Wärmeübertragungskörper 14 über deren jeweilige Mantelfläche 32 statt.

Claims

Halbleiteranordnung mit wenigstens einer Halbleitereinheit (12, 16) und mit wenigstens einem Wärmeübertragungskörper (14), auf welchen im Betrieb der wenigstens einen Halbleitereinheit (12, 16) von dieser freigesetzte Wärme übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Halbleitereinheit (12, 16) zu zumindest zwei Seiten hin von dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) eingefasst ist, wobei durch den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) eine Flächenpressung auf eine Mantelfläche (32) zumindest eines Teilbereichs der wenigstens einen Halbleitereinheit (12, 16) aufgebracht ist, wobei die wenigstens eine Halbleitereinheit (12) wenigstens ein als Leuchtdiode (16) ausgebildetes Halbleiterelement und ein das wenigstens eine Halbleiterelement tragendes mit dem wenigstens einen Halbleiterelement verbundenes Trägerelement (18) umfasst, und wobei das Trägerelement (18) kraftschlüssig und/oder formschlüssig in einem als Durchtrittsöffnung (30) ausgebildeten Aufnahmeraum fixiert ist, welcher in dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) ausgebildet ist, wobei durch das Einbringen des Trägerelements (18) in den Aufnahmeraum (30) eine oberseitige Schicht (28) des Halbleiterelements (16) in zumindest einem Bereich (38) mit einem elektrischen Leiter (34) zum elektrischen Kontaktieren ohne weiteres Kontaktierungsverfahren in Anlage gebracht ist, welcher gegenüber dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) elektrisch isoliert ist, wobei durch den elektrischen Leiter (34) ein Anschlag für das Einbringen gebildet ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Halbleitereinheit durch wenigstens ein als Leuchtdiode (16) ausgebildetes Halbleiterelement gebildet ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Halbleiterelement (16) - über eine bodenseitige Schicht (20) des wenigstens einen Halbleiterelements (16) das Trägerelement (18) und/oder - über zumindest einen Teilbereich seiner Mantelfläche den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) elektrisch kontaktiert.
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) ausgebildeter Aufnahmeraum (30, 42), in welchem die wenigstens eine Halbleitereinheit (12, 16) zumindest bereichsweise aufgenommen ist, außenumfangsseitig geschlossen ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Halbleitereinheit (12, 16) zumindest in einem Bereich, in welchem sie in einem Aufnahmeraum (30, 42) aufgenommen ist, welcher in dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) bereitgestellt ist, - eine gekrümmte Außenkontur (50, 52, 54, 56) aufweist oder - rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeübertragungskörper (14) in zumindest einem Teilbereich einer Stirnseite und/oder einer Mantelfläche des wenigstens einen Wärmeübertragungskörpers (14) mit einem Kühlkörper (48) in Anlage ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeübertragungskörper (14) zumindest zwei die Flächenpressung aufbringende Federelemente (60) umfasst, zwischen welchen die wenigstens eine Halbleitereinheit (16) angeordnet ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei relativ zueinander bewegbare Teilbereiche (62) oder Teilstücke (68) des wenigstens einen Wärmeübertragungskörpers (14) mittels wenigstens eines Spannmittels (66) miteinander verspannt sind, wobei durch das Verspannen die Flächenpressung auf die Mantelfläche (32) zumindest des Teilbereichs der wenigstens einen Halbleitereinheit (12, 16) aufgebracht ist.
Verfahren zum Fertigen einer Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen wenigstens einer Halbleitereinheit (12, 16) und wenigstens eines Wärmeübertragungskörpers (14), auf welchen im Betrieb der wenigstens einen Halbleitereinheit (12, 16) von dieser freigesetzte Wärme übertragbar ist; und b) Einfassen der wenigstens einen Halbleitereinheit (12, 16) durch den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) zu zumindest zwei Seiten hin, wobei durch den wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) eine Flächenpressung auf eine Mantelfläche (32) zumindest eines Teilbereichs der wenigstens einen Halbleitereinheit (12, 16) aufgebracht wird, wobei das Einfassen ein Einbringen des Trägerelements (18) in den Aufnahmeraum (30) umfasst, wobei die oberseitige Schicht (28) des Halbleiterelements (16) in zumindest einem Bereich (38) mit dem elektrischen Leiter (34) zum elektrischen Kontaktieren ohne weiteres Kontaktierungsverfahren in Anlage gebracht wird, welcher gegenüber dem wenigstens einen Wärmeübertragungskörper (14) elektrisch isoliert ist, und wobei durch den elektrischen Leiter (34) ein Anschlag für die Einbringbewegung gebildet ist.