DE102012107290A1

DE102012107290A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauteil, Konversionsmittelplättchen und Verfahren zur Herstellung eines Konversionsmittelplättchens

Info

Publication number: DE102012107290A1
Application number: DE102012107290.6A
Authority: DE
Inventors: Ales Markytan; Christian Gärtner; Hans-Christoph Gallmeier; Ion Stoll; Herbert Brunner; Thomas Schlereth
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-02-13
Also published as: US20150200339A1; CN104521015A; WO2014023617A1; CN104521015B; KR20150040933A; KR102033203B1; DE112013003979B4; JP2015524620A; DE112013003979A5; US9406847B2

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil (1) einen optoelektronischen Halbleiterchip (3). Ferner umfasst das Halbleiterbauteil (1) ein Konversionsmittelplättchen (4), das an einer Strahlungshauptseite (30) des Halbleiterchips (3) angebracht und zur Umwandlung einer Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung eingerichtet ist. Das Konversionsmittelplättchen (4) weist ein Matrixmaterial (42) und darin eingebettete Konversionsmittelpartikel (43) auf. Ferner umfasst das Konversionsmittelplättchen (4) eine Konversionsschicht (41a). In der mindestens einen Konversionsschicht (41a) befinden sich die Konversionsmittelpartikel (43). Die Konversionsmittelpartikel (43), alleine oder zusammen mit optional vorhandenen Diffusionsmittelpartikeln (45), machen einen Volumenanteil von mindestens 50 % der Konversionsschicht (41a) aus. Ferner umfasst das Konversionsmittelplättchen (4) eine Bindeschicht (41c), in der die Konversionsmittelpartikel (43) mit einem Volumenanteil von höchstens 2,5 % vorliegen.

Description

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Darüber hinaus wird ein Konversionsplättchen für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil und ein Herstellungsverfahren für ein Konversionsmittelplättchen angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein effizient herstellbares Konversionsmittelplättchen anzugeben.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil, durch ein Konversionsmittelplättchen und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip. Der Halbleiterchip ist zur Erzeugung einer Primärstrahlung eingerichtet. Bei der Primärstrahlung handelt es sich bevorzugt um ultraviolette Strahlung, um blaues Licht oder um grünes Licht. Bevorzugt ist der Halbleiterchip ein Leuchtdiodenchip, kurz LED-Chip. Das Halbleiterbauteil kann dann ein Leuchtdiodenmodul sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil mindestens ein Konversionsmittelplättchen. Das Konversionsmittelplättchen ist dazu eingerichtet, die Primärstrahlung teilweise oder vollständig zu absorbieren und teilweise oder vollständig in eine Sekundärstrahlung umzuwandeln. Die Sekundärstrahlung weist insbesondere eine größere Wellenlänge auf als die Primärstrahlung. Eine spektrale Breite der Sekundärstrahlung kann eine spektrale Breite der Primärstrahlung übersteigen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionsmittelplättchen mittelbar oder unmittelbar an einer Strahlungshauptseite des Halbleiterchips angebracht. Das kann bedeuten, dass das Konversionsmittelplättchen die Strahlungshauptseite berührt oder dass sich zwischen der Strahlungshauptseite und dem Konversionsmittelplättchen lediglich ein Verbindungsmittel zur Befestigung des Konversionsmittelplättchens befindet. Die Strahlungshauptseite des Halbleiterchips ist insbesondere diejenige Hauptseite, an der der Halbleiterchip im bestimmungsgemäßen Gebrauch einen wesentlichen Anteil von Strahlung emittiert. Beispielsweise ist die Strahlungshauptseite einem Träger abgewandt. Die Strahlungshauptseite kann durch ein strahlungsdurchlässiges Substrat des Halbleiterchips oder durch ein epitaktisch gewachsenes Halbleitermaterial oder durch eine Versiegelungsschicht des Halbleiterchips gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionsmittelplättchen ein Matrixmaterial. Das Matrixmaterial ist bevorzugt klarsichtig für die Primärstrahlung und/oder für die Sekundärstrahlung. Beispielsweise ist das Matrixmaterial ein Silikon, ein Epoxid oder ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet das Konversionsmittelplättchen mindestens eine Sorte oder mehrere Sorten von Konversionsmittelpartikeln. Die Konversionsmittelpartikel sind in das Matrixmaterial eingebettet. Das kann bedeuten, dass mindestens ein Teil der Konversionsmittelpartikel in unmittelbarem Kontakt zu dem Matrixmaterial steht. Es ist nicht nötig, dass alle Konversionsmittelpartikel rings um von dem Matrixmaterial umgeben sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionsmittelplättchen eine Konversionsschicht auf. Die Konversionsschicht ist insbesondere eine solche Schicht des Konversionsmittelplättchens, die sich am nächsten zu dem Halbleiterchip befindet. In der Konversionsschicht befinden sich die Konversionsmittelpartikel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die Konversionsmittelpartikel, alleine oder zusammen mit optional vorhandenen Diffusionsmittelpartikeln, mit einem Volumenanteil von mindestens 50 % oder von mindestens 60 % vor. Mit anderen Worten sind die Konversionsmittelpartikel in der Konversionsschicht dicht oder nahezu dicht gepackt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionsmittelplättchen mindestens eine Bindeschicht auf. Die Bindeschicht ist insbesondere diejenige Schicht des Konversionsmittelplättchens, die sich am weitesten von dem Halbleiterchip entfernt befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Volumenanteil der Konversionsmittelpartikel in der Bindeschicht höchstens 2,5 % oder höchstens 1 % oder höchstens 0,5 %. Bevorzugt ist die Bindeschicht frei von den Konversionsmittelpartikeln. In der Bindeschicht können sich jedoch Diffusionsmittelpartikel befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt die Bindeschicht der mindestens einen Konversionsschicht unmittelbar nach. Durch die Bindeschicht ist eine mechanische Verbindung der Konversionsmittelpartikel untereinander hergestellt. Die Bindeschicht kann die das Konversionsmittelplättchen mechanisch tragende Schicht sein.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil einen oder mehrere optoelektronische Halbleiterchips zur Erzeugung einer Primärstrahlung. Ferner umfasst das Halbleiterbauteil mindestens ein Konversionsmittelplättchen, das an einer Strahlungshauptseite des Halbleiterchips angebracht ist und das zur zumindest teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung eingerichtet ist. Das Konversionsmittelplättchen weist ein Matrixmaterial und darin eingebettete Konversionsmittelpartikel auf. Ferner umfasst das Konversionsmittelplättchen eine oder mehrere Konversionsschichten, die sich am nächsten zu dem Halbleiterchip befinden. In der mindestens einen Konversionsschicht befinden sich die Konversionsmittelpartikel. Die Konversionsmittelpartikel, alleine oder zusammen mit optional vorhandenen Diffusionsmittelpartikeln, machen einen Volumenanteil von mindestens 50 % der Konversionsschicht aus. Ferner umfasst das Konversionsmittelplättchen eine Bindeschicht, die sich am weitesten von dem Halbleiterchip entfernt befindet. In der Bindeschicht liegen die Konversionsmittelpartikel mit einem Volumenanteil von höchstens 2,5 % vor.
Ein solches Konversionsmittelplättchen ist effizient mittels Elektrophorese herstellbar. Ferner ist bei einem solchen Konversionsmittelplättchen ein guter thermischer Kontakt zwischen den Konversionsmittelpartikeln und dem Halbleiterchip herstellbar.
Eine andere Möglichkeit, ein Konversionsmittelplättchen herzustellen, besteht darin, Konversionsmittelpartikel in ein Matrixmaterial einzumischen und eine Konversionsschicht durch Sedimentation der Konversionsmittelpartikel zu erzeugen. Bei einer derartigen Sedimentation bestehen allerdings Limitierungen hinsichtlich der verwendbaren Partikelgrößen. Außerdem ist ein Volumenanteil der Konversionsmittelpartikel in der Konversionsschicht vergleichsweise gering, da sich zwischen benachbarten Konversionsmittelpartikeln in der Regel zumindest kleine Anteile des Matrixmaterials befinden.
Eine weitere Möglichkeit zur Aufbringung eines Konversionsmittels auf einen Halbleiterchip besteht darin, die Konversionsmittelpartikel unmittelbar auf dem Halbleiterchip, beispielsweise mittels Elektrophorese, abzuscheiden. Hierbei ist jedoch eine Farbortsteuerung des Bauteils vergleichsweise schwierig, da eine Reproduzierbarkeit des Prozesses von der genauen Geometrie abhängt und auch Toleranzen bei einer Montage des Halbleiterchips Einfluss auf den resultierenden Farbort durch eine variierende Schichtdicke der Konversionsmittelschicht haben können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform berühren sich benachbarte Konversionsmittelpartikel unmittelbar. Mit anderen Worten befindet sich zwischen zumindest einem Teil der Konversionsmittelpartikel punktuell kein Matrixmaterial. Hierdurch ist eine besonders große Packungsdichte der Konversionsmittelpartikel erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionsmittelplättchen genau zwei, genau drei oder mehr als drei der Konversionsschichten auf. Ebenso ist es möglich, dass das Konversionsmittelplättchen genau eine Konversionsschicht beinhaltet. Weist das Konversionsmittelplättchen mehrere Konversionsschichten auf, so können diese dieselben oder unterschiedliche Konversionsmittelpartikel beinhalten. Die Konversionsschichten könnten unmittelbar aufeinander folgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die dem Halbleiterchip nächstgelegene Konversionsschicht erste Konversionsmittelpartikel. Außerdem umfasst eine weitere Konversionsschicht zweite Konversionsmittelpartikel. Die weitere Konversionsschicht folgt der dem Halbleiterchip nächstgelegenen Konversionsschicht nach.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die ersten Konversionsmittelpartikel zur Erzeugung einer langwelligeren Strahlung eingerichtet als die zweiten Konversionsmittelpartikel. Beispielsweise wird von den ersten Konversionsmittelpartikeln aus blauem Licht rotes Licht erzeugt und aus den zweiten Konversionsmittelpartikeln aus blauem Licht grünes Licht. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die ersten Konversionsmittelpartikel zur Erzeugung von kurzwelligerem Licht eingerichtet sind, im Vergleich zu den zweiten Konversionsmittelpartikeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die ersten Konversionsmittelpartikel, die sich in der dem Halbleiterchip nächstgelegenen Konversionsschicht befinden, einen kleineren mittleren Durchmesser auf als die zweiten Konversionsmittelpartikel. Beispielsweise unterscheiden sich die mittleren Durchmesser um mindestens einen Faktor 1,5 oder um mindestens einen Faktor 2 oder um mindestens einen Faktor 3. Alternativ hierzu können die ersten Konversionsmittelpartikel auch einen größeren mittleren Durchmesser aufweisen als die zweiten Konversionsmittelpartikel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die ersten und/oder die zweiten Konversionsmittelpartikel, jeweils alleine oder zusammen mit den optional vorhandenen Diffusionsmittelpartikeln, jeweils dicht gepackt in den Konversionsschichten vor. Insbesondere können durch die Konversionsmittelpartikel, alleine oder zusammen mit den optionalen Diffusionsmittelpartikeln, viele durchgehende Wärmeleitpfade in den Konversionsschichten ausgebildet sein. Die Konversionsmittelpartikel und/oder die Diffusionsmittelpartikel weisen also bevorzugt eine Konzentration weit oberhalb einer Perkolationsschwelle auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Volumenanteil der Konversionsmittelpartikel, alleine oder zusammen mit den optionalen Diffusionsmittelpartikeln, bei mindestens 70 % oder bei mindestens 80 % oder bei mindestens 90 % der dichtesten Packung der entsprechenden Partikel. Weisen die Konversionsmittelpartikel beispielsweise eine sphärische Form auf und nur eine vernachlässigbare Durchmesserverteilung, so ist die dichteste Packung dieser Konversionsmittelpartikel die dichteste Kugelpackung. Für die dichteste Kugelpackung ist ein Volumenanteil zirka 74 %.
Bei sphärischen Partikeln mit einer nicht vernachlässigbaren Verteilung der Durchmesser ist es möglich, dass der Volumenanteil oberhalb des Volumenanteils für die dichteste Kugelpackung für sphärische Partikel gleicher Durchmesser liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die ersten und/oder die zweiten Konversionsmittelpartikel einen mittleren Durchmesser von mindestens 0,5 µm oder von mindestens 1,0 µm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt der mittlere Durchmesser höchstens 5,0 µm oder höchstens 4,0 µm oder höchstens 3,0 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die zweiten Konversionsmittelpartikel und/oder die ersten Konversionsmittelpartikel einen mittleren Durchmesser von mindestens 5 µm oder von mindestens 7,5 µm oder von mindestens 10 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt der mittlere Durchmesser bei höchstens 25 µm oder bei höchstens 20 µm oder bei höchstens 15 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil einen Träger mit einer Trägeroberseite. Der Träger ist bevorzugt die das Halbleiterbauteil mechanisch stabilisierende und tragende Komponente. Der Halbleiterchip ist an der Trägeroberseite mittelbar oder unmittelbar angebracht. Insbesondere befindet sich zwischen der Trägeroberseite und dem Halbleiterchip lediglich ein Verbindungsmittel zur Befestigung des Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionsmittelplättchen beabstandet von dem Träger angeordnet. Das heißt, das Konversionsmittelplättchen berührt den Träger nicht. Ein Abstand zwischen dem Träger und dem Konversionsmittelplättchen entspricht zum Beispiel mindestens der Dicke des Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionsmittelplättchen eine Dicke von mindestens 30 µm oder von mindestens 50 µm oder von mindestens 70 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke des Konversionsmittelplättchens bei höchstens 300 µm oder bei höchstens 200 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Bindeschicht einen Anteil an der Dicke des Konversionsmittelplättchen von mindestens 60 % oder von mindestens 70 % oder von mindestens 80 % auf. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Anteil bei höchstens 95 % oder bei höchstens 90 % oder bei höchstens 85 %. Mit anderen Worten macht einen Großteil der Dicke des Konversionsmittelplättchens die Bindeschicht aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Übergangsbereich zwischen der Bindeschicht und der unmittelbar angrenzenden Konversionsschicht dünn. Dünn kann bedeuten, dass der Übergangsbereich eine Dicke von höchstens dem 1,5-Fachen, höchstens dem 1,0-Fachen oder höchstens dem 0,5-Fachen des mittleren Durchmessers der Konversionsmittelpartikel dieser angrenzenden Konversionsschicht beträgt. Entsprechendes kann für einen Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Konversionsschichten gelten, wobei hierbei insbesondere der mittlere Durchmesser der kleineren Konversionsmittelpartikel herangezogen wird. Mit anderen Worten durchmischen sich dann die Konversionsmittelpartikel der Konversionsschichten nicht und die einzelnen Konversionsschichten sind scharf voneinander abgegrenzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die sich näher an dem Halbleiterchip befindliche Konversionsschicht auch Konversionsmittelpartikel aus der mindestens einen weiteren Konversionsschicht. Ein Volumenanteil der Konversionsmittelpartikel aus der weiteren Konversionsschicht liegt dann beispielsweise bei mindestens 2,5 Volumen-% oder bei mindestens 5 Volumen-% und alternativ oder zusätzlich bei höchstens 20 Volumen-% oder bei höchstens 15 Volumen-%. Insbesondere weisen die Konversionsmittelpartikel aus der weiteren Konversionsschicht einen kleinen mittleren Durchmesser auf als die Konversionsmittelpartikel der sich näher am Halbleiterchip befindlichen Konversionsschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die weitere Konversionsschicht, die sich weiter von dem Halbleiterchip entfernt befindet, frei von Konversionsmittelpartikeln aus der sich näher am Halbleiterchip befindlichen Konversionsschicht. Es ist also mit anderen Worten möglich, dass eine Durchmischung von Konversionsmittelpartikeln hin zu dem Halbleiterchip möglich ist, in Richtung weg von dem Halbleiterchip jedoch unterbunden ist, bezogen jeweils auf die mehrheitlich in der jeweiligen Konversionsschicht auftretenden Konversionsmittelpartikel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionsmittelplättchen auf die Strahlungshauptseite des Halbleiterchips beschränkt. Es ist also möglich, dass das Konversionsmittelplättchen die Strahlungshauptseite lateral nicht oder nicht signifikant überragt. Ebenso ist es möglich, dass das Konversionsmittelplättchen und der Halbleiterchip mit einer Toleranz von höchstens 5 µm oder von höchstens 50 µm ringsum lateral bündig abschließen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionsmittelplättchen Diffusionsmittelpartikel. Die Diffusionsmittelpartikel sind bevorzugt aus einem strahlungsdurchlässigen Material gebildet. Beispielsweise sind die Diffusionsmittelpartikel aus Siliziumoxid, aus Aluminiumoxid oder aus Aluminiumnitrid geformt. Die Diffusionsmittelpartikel können eine sphärische Grundform haben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Diffusionsmittelpartikel einen mittleren Durchmesser von mindestens 2 µm oder von mindestens 3 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt der mittlere Durchmesser der Diffusionsmittelpartikel bei höchstens 8 µm oder bei höchstens 6 µm oder bei höchstens 5 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Volumenanteil der Diffusionsmittelpartikel in der mindestens einen Konversionsschicht oder in allen Konversionsschichten, die Diffusionsmittelpartikel aufweisen, bei höchstens 20 % oder bei höchstens 10 % oder bei höchstens 5 % oder bei höchstens 2,5 %. Es ist ferner möglich, dass die Diffusionsmittelpartikel in der Bindeschicht mit einem Volumenanteil von mindestens 1,0 % oder von mindestens 2,5 % oder von mindestens 5 % vorliegen. Dieser Volumenanteil in der Bindeschicht beträgt beispielsweise höchstens 30 % oder höchstens 20 % oder höchstens 15 %.
Darüber hinaus wird ein Konversionsmittelplättchen angegeben. Das Konversionsmittelplättchen ist insbesondere für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil bestimmt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Konversionsmittelplättchens sind daher auch für das optoelektronische Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionsmittelplättchen mechanisch selbsttragend. Das kann bedeuten, dass das Konversionsmittelplättchen mittels einer Bestückungsmaschine, englisch Pick-and-Place-Machine, handhabbar ist. Insbesondere bildet das Konversionsmittelplättchen eine mechanisch zusammenhängende, im bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht zerfallende Einheit.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionsmittelplättchens angegeben, das für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil verwendbar ist. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Konversionsmittelplättchen sowie für das optoelektronische Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren mindestens oder genau die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines Zwischenträgers mit einer Oberseite,
– Aufbringen der Konversionsmittelpartikel auf die Oberseite,
– Aufbringen des Matrixmaterials auf die Konversionsmittelpartikel,
– Aushärten des Matrixmaterials, und
– Ablösen des Konversionsmittelplättchens von dem Zwischenträger.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Aufbringen der Konversionsmittelpartikel mittels Elektrophorese. Das Matrixmaterial wird bevorzugt mittels eines Flüssigphasenprozesses, beispielsweise einem Dispensen oder einem Drucken, aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens folgt der Schritt des Aufbringens des Matrixmaterials dem Schritt des Aufbringens der Konversionsmittelpartikel nach. Mit anderen Worten können dann alle Konversionsmittelpartikel aufgebracht sein, bevor das Matrixmaterial hinzugegeben wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Verfahren mit Hilfe eines Zwischenträgers. Der Zwischenträger weist eine Trägeroberseite auf. Es beinhaltet der Zwischenträger eine elektrisch isolierende Maskierungsschicht oder es ist an der Oberseite des Zwischenträgers eine solche Maskierungsschicht angebracht. Die Maskierungsschicht umfasst bevorzugt eine Vielzahl von Öffnungen. Die Öffnungen sind dazu eingerichtet, die Konversionsmittelpartikel gezielt in den Öffnungen elektrophoretisch abzuscheiden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich in den Öffnungen ein elektrisch leitfähiges Material. Das elektrisch leitfähige Material kann frei liegen und eine Oberseite des Zwischenträgers bilden. Alternativ hierzu ist es möglich, dass die elektrisch leitfähige Schicht von einer im Vergleich zur Maskierungsschicht dünnen, weiteren isolierenden Schicht bedeckt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist eine Form der Konversionsmittelplättchen, insbesondere in Draufsicht gesehen, durch die Öffnungen vorgegeben. Es ist also möglich, dass die Öffnungen für das Matrixmaterial als eine Art Gussform wirken. Speziell kann auf ein Vereinzeln der Konversionsmittelplättchen, nach dem Ablösen von dem Zwischenträger, verzichtet werden.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil, ein hier beschriebenes Konversionsmittelplättchen und 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 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
2 bis 5 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Konversionsmittelplättchen, und
6 bis 8 schematische Illustrationen von hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung von hier beschriebenen Konversionsmittelplättchen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das Halbleiterbauteil umfasst einen Träger 2 mit einer Trägeroberseite 20. Bevorzugt beinhaltet der Träger 2 nicht gezeichnete Leiterbahnen und elektrische Kontaktstrukturen zum Anschließen eines optoelektronischen Halbleiterchips 3. Ferner kann der Träger 2 eine Wärmesenke, nicht gezeichnet, beinhalten.
Der Halbleiterchip 3, bei dem es sich bevorzugt um einen Leuchtdiodenchip handelt, ist an der Trägeroberseite 20 angebracht. Eine Strahlungshauptseite 30 des Halbleiterchips 3 ist dem Träger 2 abgewandt. Beispielsweise emittiert der Halbleiterchip 3 im Betrieb blaues Licht.
Weiterhin umfasst das Halbleiterbauteil 1 ein Konversionsmittelplättchen 4. Das Konversionsmittelplättchen 4 ist an der Strahlungshauptseite 30 mittels eines Verbindungsmittels 5 angebracht. Bei dem Verbindungsmittel 5 handelt es sich insbesondere um einen Silikonkleber. Eine Dicke des Verbindungsmittels 5 liegt bevorzugt bei höchstens 6 µm oder bei höchstens 4 µm.
Das Konversionsmittelplättchen 4 umfasst eine Konversionsschicht 41a und eine Bindeschicht 41c. Die beiden Schichten 41a, 41c folgen unmittelbar aufeinander und sind mechanisch fest verbunden. In den Figuren sind die Schichten 41a, 41c des Konversionsmittelplättchens 4 symbolisch jeweils durch eine Strich-Linie voneinander getrennt.
In der Konversionsschicht 41a sind Konversionsmittelpartikel 43 dicht gepackt. Ein Volumenanteil der Konversionsmittelpartikel 43 an der Konversionsschicht 41a liegt beispielsweise bei ungefähr 75 %. Die Konversionsmittelpartikel 43 können näherungsweise sphärisch geformt sein. Es basieren die Konversionsmittelpartikel 43 beispielsweise auf einem seltenerdendotierten Granat, Silikat, Nitrid, Orthosilikat oder Oxinitrid. Beispielsweise sind die Konversionsmittelpartikel 43 zur Erzeugung von gelbem Licht eingerichtet.
Die Bindeschicht 41c ist frei von den Konversionsmittelpartikeln 43 und besteht im Wesentlichen aus einem Matrixmaterial 42. Durch das Matrixmaterial 42 sind auch die Konversionsmittelpartikel 43 mechanisch miteinander verbunden. Über das Matrixmaterial 42 ist eine mechanische Integrität des Konversionsmittelplättchens 4 erzielt. Bei dem Matrixmaterial 42 handelt es sich beispielsweise um ein Methylsiloxan oder um ein Phenylsiloxan. Eine Dicke der Bindeschicht 41c übersteigt bevorzugt eine Dicke der Konversionsschicht 41a.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Konversionsmittelplättchens 4 gezeigt. Gemäß 4 umfasst das Konversionsmittelplättchen 4 zwei Konversionsschichten 41a, 41b. Die Konversionsmittelpartikel 43a in der Konversionsschicht 41a weisen einen kleineren Durchmesser auf als die Konversionsmittelpartikel 43b in der Konversionsschicht 41b. Die beiden Konversionsschichten 41a, 41b weisen nur einen dünnen Übergangsbereich auf, so dass die Konversionsmittelpartikel 43a, 43b voneinander separiert sind und nicht oder nicht wesentlich durchmischen.
Bei den Konversionsmittelpartikeln 43a mit dem kleineren mittleren Durchmesser handelt es sich beispielsweise um ein Konversionsmittel zur Erzeugung von rotem Licht. Die Konversionsmittelpartikel 43b mit dem größeren mittleren Durchmesser sind insbesondere zur Erzeugung von grünem Licht eingerichtet. Dadurch, dass die kleineren Konversionsmittelpartikel 43a sich näher an dem nicht gezeichneten Halbleiterchip 3 in einem Halbleiterbauelement 1 befinden, ist eine bessere Entwärmung hin zu dem nicht gezeichneten Halbleiterchip möglich. Außerdem ist eine Reabsorption von grünem Licht, durch die Konversionsmittelpartikel 43b erzeugt, bei dieser Anordnung verringerbar.
Durch die gute Entwärmung insbesondere der unteren Konversionsschicht 41a ist eine höhere Temperaturstabilität und eine höhere Lebensdauer erreichbar, da speziell rot emittierende Konversionsmittelpartikel sensitiver auf erhöhte Temperaturen reagieren und auch eine stärkere Temperaturabhängigkeit des emittierten Spektrums aufzeigen.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass sich die stärker lichtstreuend wirkenden Konversionsmittelpartikel näher an einer dem nicht gezeichneten Halbleiterchip abgewandten Plättchenoberseite 40 befinden.
Anders als dargestellt ist es ferner möglich, dass die Konversionsmittelpartikel 43a, 43b nicht in einer gleichbleibenden Konzentration in Richtung hin zu der Plättchenoberseite 40 vorliegen, sondern dass ein Konzentrationsgradient eingestellt ist. So kann ein Volumenanteil der Konversionsmittelpartikel 43a, 43b in Richtung hin zu der Plättchenoberseite 40 abnehmen. Hin zur Plättchenoberseite 40 kann der Volumenanteil der Diffusionsmittelpartikel 45 gleichbleiben oder auch zunehmen. Der Gradient in Richtung hin zu der Plättchenoberseite 40 kann sowohl hinsichtlich des Volumenanteils als auch alternativ oder zusätzlich hinsichtlich einer Korngrößenverteilung der Konversionsmittelpartikel vorliegen.
Werden mehrere verschiedene Konversionsmittelpartikel 43a, 43b verwendet, so können diese in einem vergleichsweise breiten Übergangsbereich auch gezielt durchmischt aufgebracht sein, anders als in 2 gezeigt.
Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel des Konversionsmittelplättchens 4 gemäß 3 ist eine Schichtung hinsichtlich der Durchmesser der Konversionsmittelpartikel 43a, 43b umgekehrt, im Vergleich zu 2. Die Konversionsmittelpartikel 43a mit dem kleineren Durchmesser gelangen teilweise in die Konversionsschicht 41a mit den Konversionsmittelpartikeln 43a mit dem größeren Durchmesser.
Anders als dargestellt ist es, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, möglich, dass das Konversionsmittelplättchen 4 mehr als zwei Konversionsschichten 41a, 41b aufweist. Beispielsweise kann eine zusätzliche Konversionsschicht zur Erzeugung von gelbem Licht vorhanden sein.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 umfasst das Konversionsmittelplättchen 4 zusätzlich Diffusionsmittelpartikel 45, schraffiert gezeichnet. Die Diffusionsmittelpartikel 45, die beispielsweise durch Siliziumdioxidpartikel gebildet sind, können sowohl in der Konversionsschicht 41a als auch in der Bindeschicht 41c auftreten oder auch nur in einer dieser Schichten 41a, 41c. Ein Volumenanteil der Diffusionsmittelpartikel 45 kann in der Konversionsschicht 41a von einem Volumenanteil in der Bindeschicht 41c verschieden oder auch gleich sein. Derartige Diffusionsmittelpartikel 45 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
Gemäß 4 ist eine Plättchenoberseite 40, die in dem Halbleiterbauteil 1 dem Halbleiterchip 3 abgewandt ist, gekrümmt gezeichnet. Beispielsweise ist die Plättchenoberseite 40 in Form einer Sammellinse geformt. Alternativ hierzu kann die Plättchenoberseite 40 auch andere, nicht planare Formgebungen aufweisen, beispielsweise Strukturierungen zu einer Verbesserung der Lichtauskopplung oder andere Linsenformen. Eine der Plättchenoberseite 40 gegenüberliegende Unterseite des Konversionsmittelplättchens 4 ist bevorzugt eben und planar geformt.
Gemäß 5 weist das Konversionsplättchen 4 zwei Bindeschichten 41c, 41d auf sowie eine Streuschicht 41e, die sich zwischen den beiden Bindeschichten 41c, 41d befindet. Die Streuschicht 41e ist somit von der Konversionsschicht 41a beabstandet. Die Bindeschicht 41c näher an der Plättchenoberseite 40 kann dicker sein als die weitere Bindeschicht 41d, anders als gezeichnet.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens für das Konversionsmittelplättchen 4 illustriert. Gemäß 6A wird ein Zwischenträger 6 bereitgestellt. Der Zwischenträger 6 umfasst ein Substrat 61 sowie eine durchgehende, elektrisch leitfähige Schicht 62, beispielsweise aus einem transparenten leitfähigen Oxid wie ITO oder aluminiumdotiertes Zinnoxid. Ebenso ist es möglich, dass die elektrisch leitfähige Schicht 62 aus einem metallischen Leiter gebildet wird.
An einer Trägeroberseite 60 ist eine Maskierungsschicht 7 mit Öffnungen 74 angebracht. Die Maskierungsschicht 7 ist aus einem Material mit einem vergleichsweise niedrigen Haftungsvermögen hinsichtlich des Matrixmaterials gebildet, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 6 nur eine Öffnung 74 in der Maskierungsschicht 7 gezeigt.
Gemäß 6B werden die Konversionsmittelpartikel 43 gezielt in den Öffnungen 74 auf der elektrisch leitfähigen Schicht 62 abgeschieden. An der elektrisch leitfähigen Schicht 62 wird hierbei zur Elektrophorese eine Spannung angelegt. Die Partikel 43 werden dicht gepackt abgeschieden.
Es kann sein, dass zu verschiedenen Zeitpunkten elektrophoretisch verschiedene Konversionsmittelpartikel, die sich hinsichtlich des Konversionsmaterials und/oder der Korngrößenverteilung voneinander unterscheiden können, oder auch zusätzlich die Diffusionsmittelpartikel, auch mit unterschiedlichen Diffusionsmaterialien oder Korngrößenverteilungen, in einer oder in mehreren Schichten abgeschieden werden, wie in Verbindung insbesondere mit den 2 bis 5 angegeben.
Beim Verfahrensschritt gemäß 6C wird auf die Konversionsmittelpartikel 43 das Matrixmaterial 42 aufgebracht. Gemäß 6C wird die Öffnung 74 vollständig aufgefüllt. Abweichend hiervon ist es auch möglich, dass das Matrixmaterial die Öffnung 74 überragt oder die Öffnung 74 nicht vollständig ausfüllt.
Das Matrixmaterial 42 wird bevorzugt in dünnflüssigem Zustand auf die Konversionsmittelpartikel 43 aufgebracht, so dass das flüssige Matrixmaterial 42 Zwischenräume zwischen den Konversionsmittelpartikeln 43 vollständig oder teilweise auffüllt und so dass nach einem Aushärten ein mechanisch zusammenhängendes Konversionsmittelplättchen 4 entsteht.
Gemäß 6D wird ein Montageträger 8 aufgebracht und, vergleiche 6E, das Konversionsmittelplättchen 4 wird von dem Zwischenträger 6 mit der Maskierungsschicht 7 gelöst.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung des Konversionsmittelplättchens 4 ist in 7 gezeigt. Gemäß 7 ist die elektrisch leitfähige Schicht 62 strukturiert und mittels Durchkontaktierungen 64 mit einer Elektrode 63 an dem Substrat 61 verbunden. Die Verfahrensschritte können analog zum Verfahren gemäß 6 durchgeführt werden.
In 8 sind perspektivische Darstellungen des Zwischenträgers 6 und der Maskierungsschicht 7 gezeigt, in 8A in einer Gesamtansicht. In den 8B und 8C sind Detailansichten gezeigt. Der Zwischenträger 6 umfasst hierbei eine Vielzahl der Öffnungen 74.
Gemäß 8B weisen die Öffnungen 74 eine quadratische Grundform auf, wobei in einer der Ecken eine Einbuchtung 44 vorhanden ist. Durch die Einbuchtung 44 ist in dem Konversionsmittelplättchen 4 eine Aussparung für einen Bonddraht zur Kontaktierung des Halbleiterchips fertigbar.
Gemäß 8C sind zwei der Einbuchtungen 44 an zwei einander gegenüberliegenden Längsseiten vorgesehen, über die Aussparungen für zwei Bonddrähte realisierbar sind. Abweichend von den Darstellungen gemäß der 8B und 8C können entsprechende Einbuchtungen 44 auch zentral in den Öffnungen 74 angebracht sein oder in einer von den Darstellungen abweichenden Anzahl vorgesehen sein.
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.

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit – mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (3) zur Erzeugung einer Primärstrahlung, und – einem Konversionsmittelplättchen (4), das an einer Strahlungshauptseite (30) des Halbleiterchips (3) angebracht ist und das zur zumindest teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung eingerichtet ist, wobei – das Konversionsmittelplättchen (4) ein Matrixmaterial (42) und darin eingebettete Konversionsmittelpartikel (43) umfasst, – das Konversionsmittelplättchen (4) mindestens eine Konversionsschicht (41a, 41b) aufweist, die sich am nächsten zu dem Halbleiterchip (3) befindet, und in der die Konversionsmittelpartikel (43), alleine oder zusammen mit optionalen Diffusionsmittelpartikeln (45), mit einem Volumenanteil von mindestens 50 % vorliegen, und – das Konversionsmittelplättchen (4) eine Bindeschicht (41c) umfasst, die sich am weitesten von dem Halbleiterchip (3) entfernt befindet und in der die Konversionsmittelpartikel (43) einen Volumenanteil von höchstens 2,5 % aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Konversionsmittelplättchen (4) mindestens zwei oder genau zwei der Konversionsschichten (41b) aufweist, wobei – die dem Halbleiterchip (3) nächstgelegene Konversionsschicht (41a) erste Konversionsmittelpartikel (43a) zur Erzeugung von rotem Licht umfasst, – die weitere Konversionsschicht (41b) zweite Konversionsmittelpartikel (43b) zur Erzeugung von grünem Licht umfasst, – die ersten Konversionsmittelpartikel (43a) einen kleineren mittleren Durchmesser aufweisen als die zweiten Konversionsmittelpartikel (43b), und – die ersten (43a) und zweiten Konversionsmittelpartikel (43b), alleine oder zusammen mit den Diffusionsmittelpartikeln (43), jeweils dicht gepackt vorliegen.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Konversionsschichten (41a, 42b) und die Bindeschicht (41c) unmittelbar aufeinanderfolgen und die ersten Konversionsmittelpartikel (43a) einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 0,5 µm und 5,0 µm aufweisen und die zweiten Konversionsmittelpartikel (43b) einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 5 µm und 25 µm.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Träger (2) mit einer Trägeroberseite (20) umfasst, wobei – der Halbleiterchip (3) an der Trägeroberseite (20) angebracht ist, und – das Konversionsmittelplättchen (4) von dem Träger (2) beabstandet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Konversionsmittelpartikel (43) zumindest zum Teil gegenseitig berühren, sodass sich zwischen diesen Konversionsmittelpartikeln (43) stellenweise kein Matrixmaterial (42) befindet.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Konversionsmittelplättchen (4) eine Dicke zwischen einschließlich 30 µm und 300 µm aufweist, wobei die Bindeschicht (41c) einen Anteil an der Dicke des Konversionsmittelplättchens (4) von mindestens 70 % ausmacht.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Übergangsbereich zwischen der Bindeschicht (41c) und der unmittelbar angrenzenden Konversionsschicht (41a, 41b) ein Dicke von höchstens dem 1,5-Fachen des mittleren Durchmessers der Konversionsmittelpartikel dieser Konversionsschicht (41a, 41b) beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mindestens zwei der Konversionsschichten (41a, 41b) umfasst, wobei – die sich näher an dem Halbleiterchip (3) befindliche Konversionsschicht (41a) auch Konversionsmittelpartikel (43b) aus der weiteren Konversionsschicht (43b) umfasst, und – die weitere Konversionsschicht (43b) frei ist von Konversionsmittelpartikeln (43a) aus der sich näher an dem Halbleiterchip (3) befindlichen Konversionsschicht (41a).
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Konversionsmittelplättchen (4) auf die Strahlungshauptseite (30) beschränkt ist und den Halbleiterchip (3) lateral nicht überragt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Konversionsmittelplättchen (4) die Diffusionsmittelpartikel (45) umfasst, wobei – die Diffusionsmittelpartikel (45) aus einem strahlungsdurchlässigen Material gebildet sind, – ein mittlerer Durchmesser der Diffusionsmittelpartikel (45) zwischen einschließlich 2 µm und 6 µm liegt, – ein Volumenanteil der Diffusionsmittelpartikel (45) an der mindestens einen Konversionsschicht (41a, 41b) höchstens 2,5 % beträgt und in der Bindeschicht (41c) zwischen einschließlich 1,0 % und 20 % liegt.
Konversionsmittelplättchen (4) für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit einem Matrixmaterial (42) und darin eingebetteten Konversionsmittelpartikeln (43), wobei – das Konversionsmittelplättchen (4) eine oder mehrere Konversionsschichten (41a, 41b) aufweist, in der die Konversionsmittelpartikel (43), alleine oder zusammen mit optionalen Diffusionsmittelpartikeln (45), mit einem Volumenanteil von mindestens 50 % vorliegen, – das Konversionsmittelplättchen (4) eine Bindeschicht (41c) umfasst, in der die Konversionsmittelpartikel (43) einen Volumenanteil von höchstens 0,5 % aufweisen, und – das Konversionsmittelplättchen (4) mechanisch selbsttragend ist.
Verfahren zur Herstellung eines Konversionsmittelplättchens (4) nach dem vorhergehenden Anspruch für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit den Schritten: – Bereitstellen eines Zwischenträgers (6) mit einer Oberseite (60), – Aufbringen der Konversionsmittelpartikel (43) auf die Oberseite (60), – Aufbringen des Matrixmaterials (42) auf die Konversionsmittelpartikel (43), – Aushärten des Matrixmaterials (42), und – Ablösen des Konversionsmittelplättchens (4) von dem Zwischenträger (6), wobei das Aufbringen der Konversionsmittelpartikel (43) mittels Elektrophorese erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Schritt des Aufbringens des Matrixmaterials (42) dem Schritt des Aufbringens der Konversionsmittelpartikel (43) nachfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem der Zwischenträger (6) eine elektrisch isolierende Maskierungsschicht (7) umfasst, wobei – die Maskierungsschicht (7) eine Vielzahl von Öffnungen (74) aufweist, – die Konversionsmittelpartikel (43) und das Matrixmaterial (4) gezielt in den Öffnungen (74) aufgebracht wird, und – eine Form der Konversionsplättchen (4), in Draufsicht gesehen, durch die Öffnungen (74) vorgegeben ist.