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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses.
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Bei herkömmlichen Gehäusen für optoelektronische Bauelemente erfolgt die Abfuhr der Verlustwärme oftmals über den elektrischen Anschluss, wodurch eine getrennte elektrische und thermische Kontaktierung des Gehäuses erschwert ist. Zur Trennung des elektrischen Pfades von dem thermischen Pfad wird häufig ein thermischer Anschluss eingesetzt, wobei der thermische Anschluss von einem zur elektrischen Kontaktierung des Gehäuses vorgesehenen Leiterrahmen räumlich beabstandet ist. Die Herstellung derartiger Gehäuse ist aufwendig und kostenintensiv.
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Eine Aufgabe ist es, ein für ein optoelektronisches Bauelement vorgesehenes Gehäuse mit guter Wärmeableitung, das einfach und kostengünstig herstellbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gehäuses anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement beziehungsweise ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß einer Ausführungsform weist ein Gehäuse, das für ein optoelektronisches Bauelement vorgesehen ist, einen Leiterrahmen, einen thermischen Anschluss und einen Formkörper auf. Der Leiterrahmen weist beispielsweise eine erste Elektrode und eine von der ersten Elektrode lateral beabstandete zweite Elektrode auf. Vorzugsweise bildet die erste Elektrode eine Befestigungsfläche für das Bauelement an einer Vorderseite des Gehäuses. Bevorzugt ist der thermische Anschluss auf einer der Befestigungsfläche abgewandten Seite der ersten Elektrode angeordnet. Beispielsweise bildet der thermische Anschluss an einer Rückseite des Gehäuses eine thermische Kontaktfläche. Die thermische Kontaktfläche ist bevorzugt von der ersten Elektrode elektrisch isoliert. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind mittels des Formkörpers miteinander mechanisch verbunden. Beispielsweise erstrecken sich die erste Elektrode und die zweite Elektrode in vertikaler Richtung zumindest bereichsweise durch den Formkörper hindurch.
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Unter einer vertikalen Richtung wird eine Richtung verstanden, die senkrecht zu der Befestigungsfläche gerichtet ist. Die Befestigungsfläche ist bevorzugt eben ausgebildet. Das bedeutet, dass die Befestigungsfläche im Rahmen der Herstellungstoleranz beispielsweise keine Krümmungen, keine Senkungen oder Erhebungen aufweist. Unter einer lateralen Richtung wird eine Richtung verstanden, die parallel zu der Befestigungsfläche gerichtet ist. Das optoelektronische Bauelement kann unmittelbar mittels einer Verbindungsschicht an der Befestigungsfläche befestigt sein, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements vorgesehen sind. Der thermische Anschluss des Gehäuses ist insbesondere für eine thermische Verbindung mit einem Anschlussträger zugänglich. Der Anschlussträger kann eine Leiterplatte, ein keramischer Träger, eine Metallplatte oder ein Kühlkörper mit Anschlussflächen sein. Die im Betrieb des Bauelements erzeugte Wärme kann von der ersten Elektrode über den thermischen Anschluss in den Anschlussträger abgeleitet werden.
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Bei einer derartigen Gestaltung des Gehäuses fließt insbesondere kein elektrischer Strom in vertikaler Richtung durch den thermischen Anschluss hindurch, sodass der thermische Pfad auf einfache Art und Weise von dem elektrischen Pfad getrennt ist. Weiterhin ist das Material für den thermischen Anschluss in weiten Grenzen wählbar. Zum Beispiel kann ein Material für den thermischen Anschluss derart gewählt sein, dass es sich direkt auf die erste Elektrode beispielsweise mittels eines Beschichtungsverfahrens oder eines Abscheidungsverfahrens aufbringen lässt. Auch kann ein Material für den thermischen Anschluss derart gewählt sein, dass der thermische Anschluss insbesondere die unterschiedlich starken thermischen Ausdehnungen des Gehäuses und des Anschlussträgers bei großen Temperaturschwankungen kompensiert.
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Gemäß einer Ausgestaltung bildet die erste Elektrode an der Rückseite des Gehäuses eine erste elektrische Kontaktfläche. Die zweite Elektrode bildet beispielsweise an der Rückseite eine zweite elektrische Kontaktfläche. Das Gehäuse ist somit insbesondere oberflächenmontierbar ausgebildet. Mit anderen Worten ist bildet das Gehäuse ein Gehäuse für ein oberflächenmontiertes Bauteil (Englisch: Surface-mounted Device oder kurz SMD). Insbesondere ist das Bauteil ein optoelektronisches Bauteil. Bevorzugt grenzen die erste Elektrode und die zweite Elektrode in lateraler Richtung an den Formkörper an. Insbesondere begrenzt der Formkörper das Gehäuse in lateraler Richtung. Das heißt, in Aufsicht auf das Gehäuse ragen die Elektroden beziehungsweise die elektrischen Kontaktflächen nicht aus dem Formkörper seitlich heraus. Dies führt zu einer kompakteren Gestaltung des Gehäuses.
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Vorzugsweise sind die erste elektrische Kontaktfläche, die zweite elektrische Kontaktfläche und die thermische Kontaktfläche als Lötflächen ausgebildet. Dabei kann das Gehäuse insbesondere über Lötverbindungen jeweils an den elektrischen Kontaktflächen und an der thermischen Kontaktfläche beispielsweise mit einem Anschlussträger verbunden werden. Mittels Lötens können sehr stabile Verbindungen mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung bedeckt die erste Elektrode den thermischen Anschluss in Draufsicht vorzugsweise vollständig. Insbesondere überdeckt die Befestigungsfläche den thermischen Anschluss vollständig. Die im Betrieb des Bauelements erzeugte Wärme kann so über den kürzestmöglichen Weg von dem Bauelement über die erste Elektrode und den thermischen Anschluss in den Anschlussträger abgeführt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der Formkörper in lateraler Richtung bereichsweise zwischen der ersten Elektrode und dem thermischen Anschluss ausgebildet. Weiterhin ist der Formkörper bereichsweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausgebildet. Mittels des Formkörpers sind die erste Elektrode, die zweite Elektrode und der thermische Anschluss in lateraler Richtung miteinander mechanisch verbunden. Somit kann ein Gehäuse aus einem mechanisch stabilen Verbund aus dem Leiterrahmen, dem thermischen Anschluss und dem Formkörper gebildet sein. Bevorzugt umgibt der Formkörper den Leiterrahmen in allen lateralen Richtungen. Zweckmäßigerweise ist der Formkörper elektrisch isolierend ausgebildet. Insbesondere ist der Formkörper strahlungsundurchlässig ausgebildet.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist der thermische Anschluss zumindest eine elektrisch isolierende Schicht auf. Die elektrische isolierende Schicht unterbindet einen vertikalen Stromfluss zwischen der Befestigungsfläche der ersten Elektrode und der thermischen Kontaktfläche des thermischen Anschlusses. Beispielsweise weist die elektrisch isolierende Schicht eine Wärmeleitfähigkeit auf, die größer als 5 W/(m·K) ist, insbesondere größer als 50 W/(m·K), beispielsweise 100 W/(m·K). Vorzugsweise grenzt die elektrisch isolierende Schicht direkt an die erste Elektrode an. Das bedeutet, dass die elektrisch isolierende Schicht und die erste Elektrode eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen. Es ist auch denkbar, dass die elektrisch isolierende Schicht nicht an die erste Elektrode angrenzt.
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Gemäß einer Ausgestaltung enthält der thermische Anschluss zumindest eine Metallschicht. Insbesondere bildet die Metallschicht die thermische Kontaktfläche des thermischen Anschlusses. Das heißt, die Metallschicht weist auf einer der Befestigungsfläche abgewandten Seite eine freiliegende Oberfläche auf. Beispielsweise kann die Metallschicht Kupfer oder Aluminium enthalten.
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Gemäß einer Ausgestaltung enthält der thermische Anschluss ein Nitrid oder ein Oxid oder eine Kombination davon. Beispielsweise enthält der thermische Anschluss Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si3N4) oder Aluminiumoxid (Al2O3). Solche Nitride und Oxide sind elektrisch isolierend und weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante enthält der thermische Anschluss ein Polymer-Material. Das Polymer-Material kann mit einem thermisch hoch leitenden Material, beispielsweise Aluminiumnitrid oder Bornitrid gefüllt sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist der thermische Anschluss beispielsweise ein Material auf, das diamantähnliche Verbindungen aus Kohlenstoff enthält. Solche Verbindungen aus Kohlenstoff weisen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise weist der thermische Anschluss Kunststoffschichten auf, die mit diamantähnlichen Verbindungen aus Kohlenstoff beschichtet sind. Eine derartige Gestaltung des thermischen Anschlusses erhöht die Effizienz der Wärmeabfuhr aus dem Gehäuse.
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Gemäß einer Ausgestaltung enthält der thermische Anschluss eine Mehrzahl von wärmeleitenden Schichten. Die wärmeleitenden Schichten sind beispielsweise in vertikaler Richtung übereinander angeordnet. Die wärmeleitenden Schichten können zum Beispiel eine alternierende Reihenfolge von elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Schichten sein. Insbesondere sind die wärmeleitenden Schichten aufeinander abgeschieden.
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Gemäß einer Ausgestaltungsvariante enthält der thermische Anschluss beispielsweise eine wärmeleitende Schicht in Form einer Folie. Insbesondere kann der thermische Anschluss eine Mehrzahl von wärmeleitenden Schichten enthalten, die als Folien ausgebildet sind. Die Folien können vorgefertigt sein und in einem Verfahrensschritt vereinfacht auf die erste Elektrode aufgebracht werden. Die Folien können beispielsweise eine Keramik, einen Kunststoff oder ein Metall enthalten oder aus einer Kombination davon ausgebildet sein.
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Insbesondere können die Folien aus einem Kunststoff ausgebildet sein, wobei die Folien zusätzlich metallisiert sind.
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Gemäß einer Ausgestaltungsvariante enthält der thermische Anschluss eine Keramik. Zum Beispiel ist eine wärmeleitende Schicht des thermischen Anschlusses bevorzugt eine Keramikschicht. Die Keramikschicht ist beispielsweise in vertikaler Richtung zwischen der Metallschicht und der ersten Elektrode angeordnet. Keramik weist in der Regel eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und kann zugleich zur elektrischen Isolierung zwischen der ersten Elektrode und der Metallschicht dienen.
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Gemäß einer Ausgestaltung eines Bauteils ist ein optoelektronisches Bauelement auf der Befestigungsfläche der ersten Elektrode angeordnet. Das Bauelement kann beispielsweise ein Lumineszenzdiodenchip, etwa ein LED-Chip oder ein Laser-Chip, sein. Das optoelektronische Bauelement emittiert im Betrieb eine elektromagnetische Strahlung, beispielsweise im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das optoelektronische Bauelement unmittelbar über die erste Elektrode und mittels einer Verbindungsleitung über die zweite Elektrode mit einer externen Spannungsquelle elektrisch kontaktierbar. Beispielsweise ist die Verbindungsleitung ein Bonddraht. Beispielsweise verbindet der Bonddraht die zweite Elektrode mit einer Kontaktstelle des Bauelements. Es ist auch denkbar, dass das optoelektronische Bauelement auf einer dem Leiterrahmen zugewandten Rückseite des Bauelements zwei für die elektrische Kontaktierung des Bauelements vorgesehene Anschlussstellen aufweist. Zum Beispiel ist das Bauelement ein Flip-Chip. Das Bauelement ist beispielsweise derart auf der Befestigungsfläche angeordnet, dass zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements eine der Anschlussstellen im direkten elektrischen Kontakt mit einer vorderseitigen Oberfläche der zweiten Elektrode steht. Insbesondere ist das Bauelement derart auf dem Leiterrahmen angeordnet, dass in Draufsicht die eine Anschlussstelle des Bauelements mit der Befestigungsoberfläche der ersten Elektrode überlappt und in Draufsicht die andere Anschlussstelle des Bauelements mit der vorderseitigen Oberfläche der zweiten Elektrode überlappt. Gemäß einer Ausgestaltung weist die Vorderseite des Gehäuses eine für eine Montage des Bauelements vorgesehene Kavität auf. Die Vorderseite ist insbesondere eine Strahlungsdurchtrittsfläche des Gehäuses. Die Kavität ist bevorzugt mit einer strahlungsdurchlässigen Verkapselung zum Schutz des Bauelements und des Bonddrahts gefüllt. Die Kavität wird beispielsweise von dem Formkörper in allen lateralen Richtungen umgeben. Insbesondere bildet der Formkörper Innenwände der Kavität.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Gehäuses für ein optoelektronisches Bauelement wird ein Leiterrahmen mit einer ersten Elektrode und einer von der ersten Elektrode lateral beabstandeten zweiten Elektrode bereitgestellt. Beispielsweise weist die erste Elektrode eine Befestigungsfläche für das Bauelement auf. Bevorzugt wird ein thermischer Anschluss mit einer freiliegenden thermischen Kontaktfläche auf einer der Befestigungsfläche abgewandten Seite der ersten Elektrode derart ausgebildet, dass die thermische Kontaktfläche von der ersten Elektrode elektrisch isoliert wird. Weiterhin wird ein Formkörper zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausgebildet. Bevorzugt erstrecken sich die erste Elektrode und die zweite Elektrode in vertikaler Richtung zumindest bereichsweise durch den Formkörper hindurch.
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Mittels dieses Verfahrens wird ein Gehäuse als ein Verbund aus der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und dem thermischen Anschluss hergestellt. Dabei weist das Gehäuse an einer Rückseite freiliegende elektrische Kontaktflächen und eine freiliegende thermische Kontaktfläche auf, wobei die thermische Kontaktfläche von den elektrischen Kontaktflächen elektrisch isoliert ist. Insbesondere wird der thermische Anschluss an der ersten Elektrode befestigt, bevor der Formkörper ausgebildet wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vor dem Ausbilden des Formkörpers eine stufenartige Oberfläche auf einer der Befestigungsfläche abgewandten Seite der ersten Elektrode ausgebildet. Beispielsweise weist die stufenartige Oberfläche einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich auf, wobei der zweite Teilbereich in vertikaler Richtung zwischen der Befestigungsfläche und dem ersten Teilbereich angeordnet ist. Insbesondere bildet der erste Teilbereich der stufenartigen Oberfläche eine erste elektrische Kontaktfläche der ersten Elektrode. Vorzugsweise wird der thermische Anschluss auf dem zweiten Teilbereich der stufenartigen Oberfläche ausgebildet. Weiterhin bevorzugt weisen die erste elektrische Kontaktfläche und die thermische Kontaktfläche im Rahmen der Herstellungstoleranz einen gleichen vertikalen Abstand zu der Befestigungsfläche auf. Dies führt zu einer noch kompakteren Ausgestaltung des Gehäuses.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der thermische Anschluss durch ein Beschichtungsverfahren auf der ersten Elektrode ausgebildet. Die Beschichtung kann dabei während einer Vakuumsphase in einem Produktionsschritt zur Herstellung des Gehäuses stattfinden. Beispielsweise wird der thermische Anschluss schichtweise auf die erste Elektrode abgeschieden. Alternativ kann der thermische Anschluss als ein vorgefertigtes Plättchen vorliegen, das an der ersten Elektrode befestigt wird. Das Plättchen kann eine dünne gedruckte Leiterplatte, eine Metallkernplatine, eine metallisierte Folie oder ein Keramiksubstrat sein. Dabei ist das Plättchen derart ausgebildet, dass ein vertikaler Stromfluss durch das Plättchen hindurch unterbunden ist.
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Das Verfahren ist für die Herstellung eines vorstehend beschriebenen Gehäuses besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem Gehäuse beschriebenen Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gehäuses und des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel für ein Gehäuse in schematischer Schnittansicht,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Gehäuse in schematischer Schnittansicht,
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3 eine schematische Schnittansicht eines optoelektronischen Bauteils, das ein optoelektronisches Bauelement und ein solches Gehäuse umfasst, und
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4A bis 4C schematische Schnittansichten verschiedener Verfahrenstadien eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement ist in 1 schematisch in Schnittansicht dargestellt.
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Das Gehäuse 1 weist eine Vorderseite 11 und eine Rückseite 12 auf. Die Vorderseite 11 und die Rückseite 12 begrenzen das Gehäuse in vertikaler Richtung. Das Gehäuse umfasst einen Leiterrahmen 2, wobei der Leiterrahmen 2 eine erste Elektrode 21 und eine zweite Elektrode 22 umfasst. Beispielsweise enthält der Leiterrahmen ein Metall, etwa Kupfer oder Aluminium. Die erste Elektrode 21 weist auf der Vorderseite 11 eine Befestigungsfläche 211 auf. Die Befestigungsfläche 211 bildet bereichsweise die Vorderseite 11 des Gehäuses 1. Die Befestigungsfläche 211 ist eben ausgebildet. In lateraler Richtung ist die erste Elektrode 21 von der zweiten Elektrode 22 beabstandet.
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Die Vorderseite 11 weist eine Kavität 6 auf. Die Kavität verjüngt sich in Richtung der Rückseite 12. Die Kavität 6 ist in lateraler Richtung von dem Formkörper umgeben. Die Befestigungsfläche 211 bildet bereichsweise einen Boden der Kavität 6. Die Befestigungsfläche 211 ist für die Montage eines optoelektronischen Bauelements vorgesehen. Die Vorderseite 11 ist insbesondere eine Strahlungsdurchtrittsfläche des Gehäuses.
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Die erste Elektrode 21 weist auf einer der Befestigungsfläche abgewandten Seite eine stufenartige Oberfläche 215 auf. Die stufenartige Oberfläche 215 umfasst einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich 213, wobei der erste Teilbereich eine erste elektrische Kontaktfläche 212 der ersten Elektrode 21 bildet. Der zweite Teilbereich 213 befindet sich zwischen der Befestigungsfläche 211 und der ersten elektrischen Kontaktfläche 212. Die erste Elektrode 21 weist eine erste Dicke D1 und eine zweite Dicke D2 auf. Die erste Dicke D1 ist ein vertikaler Abstand zwischen der Befestigungsfläche 211 und der ersten elektrischen Kontaktfläche 212. Die zweite Dicke D2 ist ein vertikaler Abstand zwischen der Befestigungsfläche 211 und dem zweiten Teilbereich 213. Die erste Dicke D1 ist größer, beispielweise mindestens 1,5-mal, insbesondere mindestens dreimal größer als die zweite Dicke D2. Beispielsweise beträgt die erste Dicke D1 zwischen 100 Mikrometer und 300 Mikrometer.
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Ein thermischer Anschluss 3 ist auf einer der Befestigungsfläche 211 abgewandten Seite der ersten Elektrode 21 ausgebildet. Insbesondere weist der thermische Anschluss 3 eine gemeinsame Grenzfläche 31 mit der ersten Elektrode auf. Die gemeinsame Grenzfläche 31 ist Teil des zweiten Teilbereichs 213 der stufenartigen Oberfläche 215. Es ist auch denkbar, dass sich zwischen dem thermischen Anschluss 3 und der ersten Elektrode 21 eine weitere Schicht, etwa eine Verbindungsschicht, befindet. In Draufsicht auf das Gehäuse bedeckt die erste Elektrode 21 den thermischen Anschluss 3 vollständig. Insbesondere überdeckt die Befestigungsfläche 211 den thermischen Anschluss 3 vollständig. Dadurch kann die im Betrieb des Bauelements entstehende Wärme effektiv über den thermischen Anschluss abgeführt werden.
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Der thermische Anschluss 3 weist an der Rückseite 12 des Gehäuses eine thermische Kontaktfläche 32 auf. Weiterhin umfasst der thermische Anschluss eine elektrisch isolierende Schicht 34, die zwischen der Befestigungsfläche 211 und der thermischen Kontaktfläche 32 angeordnet ist. Insbesondere kann die wärmeleitende Schicht 34 in Form einer Folie ausgebildet sein. Der thermische Anschluss 3 enthält beispielsweise ein Nitrid oder ein Oxid oder eine Kombination davon. Insbesondere kann die elektrisch isolierende Schicht 34 des thermischen Anschlusses 3 Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder eine Kombination davon enthalten.
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Alternativ oder ergänzend kann der thermische Anschluss 3 zumindest ein Material enthalten, das diamantähnliche Verbindungen aus Kohlenstoff aufweist. Solches Material ist elektrisch isolierend und weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Des Weiteren kann die elektrisch isolierende Schicht 34 mit diamantähnlichen Verbindungen aus Kohlenstoff beschichtet sein. Diamantähnliche Verbindungen aus Kohlenstoff weisen Materialeigenschaften auf, die fließend von denen des Graphits zu denen des Diamants übergehen. Insbesondere zeichnen sich solche Verbindungen durch einen sehr hohen elektrischen Widerstand, ausgezeichnete Härte und sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aus.
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Der thermische Anschluss 3 umfasst eine Metallschicht 30, die auf einer der Befestigungsfläche 211 abgewandten Seite der elektrischen isolierenden Schicht 34 angeordnet ist. Die Metallschicht 30 weist auf einer der elektrisch isolierenden Schicht 34 abgewandten Seite eine freiliegende Oberfläche auf, die die thermische Kontaktfläche 32 des thermischen Anschlusses 3 bildet.
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Der thermische Anschluss 3 weist eine vertikale Höhe D3 auf. Beispielsweise unterscheidet sich die erste Dicke D1 der ersten Elektrode 21 von der Summe aus der zweiten Dicke D2 der ersten Elektrode 21 und der vertikalen Höhe D3 des thermischen Anschlusses 3 höchstens um 15 %, insbesondere höchstens um 5 %. Besonders bevorzugt ist die erste Dicke D1 im Rahmen der Herstellungstoleranz gleich der Summe aus der zweiten Dicke D2 der ersten Elektrode 21 und der vertikalen Höhe D3. Dies vereinfacht das Montieren des Gehäuses beispielsweise auf einen Anschlussträger, der eine Leiterplatte, ein keramischer Träger, eine Metallplatte oder ein Kühlkörper sein kann.
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Die zweite Elektrode 22 bildet an der Rückseite 12 des Gehäuses eine zweite elektrische Kontaktfläche 222. Die erste elektrische Kontaktfläche 212, die zweite elektrische Kontaktfläche 222 und die thermische Kontaktfläche 32 bilden somit bereichsweise die Rückseite 12 des Gehäuses 1. Die zweite Elektrode weist auf der Vorderseite des Gehäuses 1 eine vorderseitige Oberfläche 221 auf. Die vorderseitige Oberfläche 221 der zweiten Elektrode 22 bildet bereichsweise die Vorderseite 11 des Gehäuses. Beispielsweise ist ein vertikaler Abstand zwischen der vorderseitigen Oberfläche 221 und der zweiten elektrischen Kontaktfläche 222 im Rahmen der Herstellungstoleranz gleich der ersten Dicke D1 der ersten Elektrode 21.
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Die erste Elektrode 21, die zweite Elektrode 22 und der thermische Anschluss 3 sind von einem Formkörper 4 umformt. Insbesondere ist mittels des Formkörpers 4 eine mechanische Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hergestellt. Der Formkörper 4 ist in lateraler Richtung bereichsweise zwischen der ersten Elektrode 21 und dem thermischen Anschluss 3 ausgebildet. Weiterhin füllt der Formkörper 4 einen Raum in lateraler Richtung zwischen der ersten Elektrode 21 und der zweiten Elektrode 22 vollständig auf. Die erste Elektrode 21 und die zweite Elektrode 22 erstrecken sich in vertikaler Richtung bereichsweise durch den Formkörper 4 hindurch. Die erste elektrische Kontaktfläche 212, die Befestigungsfläche 211, die zweite elektrische Kontaktfläche 222 und die vorderseitige Oberfläche 221 der zweiten Elektrode 22 sind also bereichsweise frei von dem Formkörper 4. An der Vorderseite 11 des Gehäuses bedeckt der Formkörper 4 die Befestigungsfläche 211 der ersten Elektrode 21 und die vorderseitige Oberfläche 221 der zweiten Elektrode 22 bereichsweise. Insbesondere begrenzt der Formkörper 4 die Kavität 6 des Gehäuses in lateraler Richtung. In Aufsicht auf die Rückseite des Gehäuses ragen die Elektroden 21 und 22 beziehungsweise die elektrischen Kontaktflächen 212 und 222 nicht aus dem Formkörper 4 seitlich heraus. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse als ein QFN-Gehäuse (Englisch: Quad Flat No-Leads) ausgebildet.
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Die erste Elektrode 21 und die zweite Elektrode 22 weisen jeweils in lateraler Richtung auf einer dem thermischen Anschluss 3 abgewandten Seite eine stufenartige Seitenoberfläche 214 beziehungsweise 224 auf. Die stufenartige Seitenoberflächen 214 und 224 sind von dem Formkörper 4 in lateraler Richtung vollständig umgeben. Solche stufenartige Seitenoberflächen vergrößern die gemeinsamen Grenzflächen zwischen den Elektroden und dem Formkörper 4, wodurch die Stabilität der mechanischen Verbindung zwischen den Elektroden und dem Formkörper erhöht wird.
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Die erste elektrische Kontaktfläche 212 und die zweite elektrische Kontaktfläche 222 sind zur elektrischen Kontaktierung des im Gehäuse eingebauten Bauelements mit einer externen Spannungsquelle vorgesehen. Insbesondere können die elektrischen Kontaktflächen 212 und 222 als Lötflächen ausgebildet sein. Der Leiterrahmen 2 kann somit beispielsweise mittels Lötverbindungen mit elektrischen Leiterbahnen eines Anschlussträgers verbunden und elektrisch kontaktiert werden.
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Die thermische Kontaktfläche 32 kann auch als Lötfläche ausgebildet sein, sodass der thermische Anschluss 32 über eine Lötverbindung an dem Gehäuseträger befestigt werden kann. Der thermische Anschluss 3 ist dabei derart ausgebildet, dass ein elektrischer Strom in vertikaler Richtung zwischen der thermischen Kontaktfläche 32 und der ersten Elektrode 21 unterbunden ist.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Gehäuse 1 in schematischer Schnittansicht dargestellt.
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Das Gehäuse 1 dieses Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel für ein Gehäuse. Im Unterschied hierzu umfasst der thermische Anschluss 3 in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von wärmeleitenden Schichten 33. Die wärmeleitenden Schichten 33 können elektrisch isolierend oder elektrisch leitend ausgebildet sein, wobei der thermische Anschluss 3 zumindest eine elektrisch isolierende Schicht 34 enthält. Die elektrisch isolierende Schicht 34 ist in vertikaler Richtung zwischen der ersten Elektrode 21 und der thermischen Kontaktfläche 32 angeordnet, sodass kein elektrischer Strom in vertikaler Richtung durch den thermischen Anschluss hindurch fließt. Insbesondere können die wärmeleitenden Schichten 33 eine alternierende Reihenfolge von elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Schichten sein. Zum Beispiel kann zumindest eine der wärmeleitenden Schichten 33 als eine Folie ausgebildet sein. Die Folie kann vorgefertigt und beispielsweise aus Keramik, Kunststoffen oder Metallen ausgebildet sein. Insbesondere kann die Folie aus einem Kunststoff hergestellt sein, wobei die Folie zusätzlich metallisiert ist.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Bauteil in schematischer Schnittansicht dargestellt. Das optoelektronische Bauteil 100 umfasst ein optoelektronisches Bauelement 10 und ein Gehäuse 1, wobei das Gehäuse 1 exemplarisch dem in der 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Gehäuses entspricht. Das optoelektronische Bauteil 100 kann selbstverständlich ein in der 2 beschriebenes Gehäuse umfassen. Das Bauelement 10 kann beispielsweise ein strahlungsemittierendes oder ein strahlungsdetektierendes Bauelement sein.
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Das Bauelement 10 ist auf der Befestigungsfläche 211 angeordnet. Der thermische Anschluss 3 bedeckt in Draufsicht das Bauelement 10 vollständig. Die im Betrieb des Bauelements erzeugte Wärme kann somit effizient durch den kürzestmöglichen Weg von dem Bauelement 10 über die erste Elektrode 21 und den thermischen Anschluss 3 in einen Anschlussträger abgeleitet werden.
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Das optoelektronische Bauelement 10 ist über die erste Elektrode 21 elektrisch leitend verbunden. Weiterhin ist das Bauelement über eine Verbindungsleitung 23, beispielsweise über einen Bonddraht, mit der zweiten Elektrode 22 elektrisch verbunden. Das Bauelement 10 und die Verbindungsleitung 23 befinden sich innerhalb einer Kavität 6 des Gehäuses 1. Zum Schutz des Bauelements 10 und der Verbindungsleitung 23 ist die Kavität mit einer Verkapselung 5, etwa mit Silikon, befüllt. Die Verkapselung 5 ist insbesondere strahlungsdurchlässig ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass das optoelektronische Bauelement auf einer dem Leiterrahmen zugewandten Rückseite des Bauelements zwei für die elektrische Kontaktierung des Bauelements vorgesehene Anschlussstellen aufweist. Zum Beispiel ist das Bauelement ein Flip-Chip. Das Bauelement ist beispielsweise derart auf der Befestigungsfläche angeordnet, dass zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements die Anschlussstellen jeweils im direkten elektrischen Kontakt mit der Befestigungsfläche 211 der ersten Elektrode 21 oder mit einer vorderseitigen Oberfläche 221 der zweiten Elektrode 22 stehen. Beispielsweise ist das optoelektronische Bauelement ein Flip-Chip. In diesem Fall kann auf eine Verbindungsleitung verzichtet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Gehäuses 1 ist in den 4A bis 4C in schematischer Schnittansicht dargestellt. Das Gehäuse 1 entspricht exemplarisch dem Gehäuse gemäß dem im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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In der 4A wird ein Leiterrahmen 2 mit einer ersten Elektrode 21 und einer von der ersten Elektrode räumlich getrennten zweiten Elektrode 22 bereitgestellt. Die erste Elektrode weist eine Befestigungsfläche 211 und auf einer der Befestigungsfläche abgewandten Seite eine stufenartige Oberfläche 215 auf. Die stufenartige Oberfläche 215 wird beispielsweise mittels eines Ätzprozesses ausgebildet. Die erste Elektrode 21 weist aufgrund der stufenartigen Oberfläche 215 an verschiedenen Stellen unterschiedliche Dicken D1 und D2 auf. Die Elektroden 21 und 22 weisen jeweils eine stufenartige Seitenoberfläche 214 beziehungsweise 224 auf. Die Seitenoberflächen 214 und 224 sowie die stufenartige Oberfläche 215 können in einem gleichen Produktionsschritt ausgebildet werden. Die stufenartigen Seitenoberflächen 214 und 224 führen zu einer verbesserten Verankerung der Elektroden im Formkörper 4 und erhöhen somit die Stabilität des Gehäuses.
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In der 4B wird ein thermischer Anschluss 3 mit einer freiliegenden thermischen Kontaktfläche 32 auf einem Teilbereich 213 der stufenartigen Oberfläche 215 ausgebildet. An dem Teilbereich 213 weist die Elektrode 21 die Dicke D2 auf, welche kleiner als die Dicke D1 ist. Der thermische Anschluss 3 wird derart ausgebildet, dass die freiliegende thermische Kontaktfläche 32 von der ersten Elektrode 21 elektrisch isoliert wird. Beispielsweise wird der thermische Anschluss 3 durch ein Beschichtungsverfahren oder ein Abscheidungsverfahren auf die erste Elektrode 21 aufgebracht, etwa mittels eines PVD-Verfahrens (Physical Vapour Disposion) wie Sputtern oder mittels eines CVD-Verfahrens (Chemical Vapour Disposition) wie Aufdampfen. Alternativ kann der thermische Anschluss 3 als ein vorgefertigtes Plättchen ausgebildet sein, das an der ersten Elektrode 21 befestigt wird.
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In der 4C wird ein Formkörper 4 zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode 21 und der zweiten Elektrode 22 derart ausgebildet, dass sich die erste Elektrode 21 und die zweite Elektrode 22 in vertikaler Richtung bereichsweise durch den Formkörper hindurch erstrecken. Eine freiliegende Oberfläche der stufenartigen Oberfläche 215 der ersten Elektrode 21 bildet eine erste elektrische Kontaktfläche 212. Eine freiliegende, der Befestigungsfläche 211 abgewandte Oberfläche der zweiten Elektrode 22 bildet eine zweite elektrische Kontaktfläche 222. Insbesondere wird der Formkörper 4 nach Fertigstellung des thermischen Anschlusses 3 hergestellt.
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Der Formkörper 4 kann aus einer Formmasse oder einer Vergussmasse ausgebildet sein. Nach dem Ausbilden des thermischen Anschlusses 3 auf der ersten Elektrode 21 werden die erste Elektrode 21, die zweite Elektrode 22 und der thermische Anschluss 3 beispielsweise mittels Spritzgießens (Englisch: injection molding) oder Spritzpressens (Englisch: transfer molding) umformt, sodass ein mechanisch stabiler Verbund aus der ersten Elektrode 21, der zweiten Elektrode 22 und dem thermischen Anschluss 3 hergestellt wird.
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Mit dem Einsatz eines thermischen Anschlusses, der in unmittelbarer Nähe auf einer Befestigungsfläche der ersten Elektrode angeordnet ist, kann Verlustwärme effizient aus einem Gehäuse abgeführt werden. Weiterhin weist der thermische Anschluss eine thermische Kontaktfläche auf, die von der ersten Elektrode elektrisch isoliert ist, sodass die elektrische Kontaktierung des Gehäuses unabhängig von der thermischen Kontaktierung gestaltet werden kann. Die Herstellung des Gehäuses, insbesondere die Ausbildung des Formkörpers, wird vereinfacht, da lediglich zwei voneinander räumlich beabstandeten Bestandteile, nämlich die erste Elektrode mit dem thermischen Anschluss und die zweite Elektrode, zu einem mechanisch stabilen Verbund zusammengeführt werden.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele an diese 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.
