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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung mit zumindest einem optoelektronischen Halbleiterbauelement, das auf einem Träger angeordnet ist.
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Bei optoelektronischen Vorrichtungen wie beispielsweise LED-Arrays kann die im Betrieb der Vorrichtung von den optoelektronischen Halbleiterchips abgegebene Verlustwärme zu vergleichsweise starken Temperaturwechseln führen. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten einzelner Schichten oder Bereiche der Vorrichtung können solche Temperaturwechsel eine starke mechanische Belastung bewirken, was beispielsweise zum Bruch von Metallisierungsbahnen und dadurch zum Ausfall der Vorrichtung führen kann.
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Eine Aufgabe ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die sich durch eine erhöhte Zuverlässigkeit gegenüber Temperaturwechseln auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird unter anderem durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung zumindest ein optoelektronisches Halbleiterbauelement auf. Das optoelektronische Halbleiterbauelement ist insbesondere zum Erzeugen und/oder Empfangen von Strahlung vorgesehen. Beispielsweise emittiert das optoelektronische Halbleiterbauelement Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich. Beispielsweise ist das Halbleiterbauelement als ein Halbleiterchip, insbesondere als ein ungehäuster Halbleiterchip ausgebildet. Das heißt, das Halbleiterbauelement selbst weist kein Gehäuse auf, in dem der Halbleiterchip angeordnet ist. Der Halbleiterchip enthält zum Beispiel ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Auf dem Halbleiterchip kann ein Strahlungskonversionselement angeordnet sein, das zur zumindest teilweisen Konversion einer im Halbleiterchip im Betrieb erzeugten Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung mit einer von einer Peak-Wellenlänge der Primärstrahlung verschiedenen Peak-Wellenlänge vorgesehen ist.
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Die Vorrichtung weist insbesondere eine Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen auf, beispielsweise zwischen einschließlich zwei und einschließlich 50 Halbleiterbauelementen auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung einen Träger auf. Auf dem Träger ist das zumindest eine Halbleiterbauelement angeordnet und insbesondere befestigt. Der Träger ist insbesondere elektrisch isolierend ausgebildet. Beispielsweise enthält der Träger eine Keramik, etwa Aluminiumnitrid oder Bornitrid. Alternativ oder ergänzend kann für den Träger auch ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium oder Germanium Anwendung finden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Isolationsschicht auf. Die Isolationsschicht grenzt insbesondere an eine das Halbleiterbauelement begrenzende Seitenfläche an. Beispielsweise umschließt die Isolationsschicht das Halbleiterbauelement in lateraler Richtung vollständig. In vertikaler Richtung kann die Isolationsschicht zumindest bereichsweise die gesamte Seitenfläche des Halbleiterbauelements bedecken.
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Unter einer lateralen Richtung wird eine Richtung verstanden, die parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Trägers verläuft. Entsprechend bezeichnet eine vertikale Richtung eine Richtung, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Trägers verläuft.
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Bei einem Halbleiterbauelement mit einem Strahlungskonversionselement grenzt die Isolationsschicht insbesondere auch an das Strahlungskonversionselement an. Die Isolationsschicht kann beispielsweise ein Polymermaterial, etwa ein Silikon, ein Harz oder ein Hybridmaterial aus zumindest einem Silikon und einem Harz enthalten oder aus einem solchen Material bestehen.
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Vorzugsweise weist die Isolationsschicht eine Reflektivität von mindestens 80 % für die im Betrieb der Vorrichtung von dem Halbleiterbauelement zu erzeugende und/oder empfangende Strahlung auf. Beispielsweise sind in der Isolationsschicht Partikel, etwa Weißpigmente, ausgebildet. Beispielsweise zeichnet sich ein mit Titandioxid als Weißpigment gefülltes Polymermaterial durch eine Reflektivität von 85 % oder mehr aus.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Kontaktbahn auf. Die Kontaktbahn ist auf einer Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterbauelements angeordnet und elektrisch leitend mit diesem verbunden. Beispielsweise ist die Kontaktbahn dafür vorgesehen, das zumindest eine Halbleiterbauelement mit einer für die externe elektrische Kontaktierung der Vorrichtung vorgesehene Kontaktfläche elektrisch leitend zu verbinden. Weiterhin kann die Kontaktbahn auch für die elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Halbleiterbauelementen der Vorrichtung vorgesehen sein. Die Kontaktbahn verläuft bereichsweise auf der Isolationsschicht. Insbesondere grenzt die Kontaktbahn an die Isolationsschicht an.
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Die Kontaktbahn erstreckt sich insbesondere über die Seitenfläche des Halbleiterbauelements hinaus. In Aufsicht auf die Vorrichtung überragt also die Kontaktbahn das Halbleiterbauelement zumindest bereichsweise in lateraler Richtung. Auf eine Drahtbond-Verbindung für die Herstellung einer elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements kann verzichtet werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Kontaktbahn bezüglich einer insbesondere im Betrieb der Vorrichtung senkrecht zu der Seitenfläche auftretenden thermo-mechanischen Beanspruchung, etwa einer Zugbelastung, entlastet.
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In mindestens einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung zumindest ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und einen Träger auf, auf dem das Halbleiterbauelement angeordnet ist. Eine Isolationsschicht grenzt an eine das Halbleiterbauelement begrenzende Seitenfläche an. Eine Kontaktbahn ist auf einer Strahlungsdurchtrittsseite des Halbleiterbauelements angeordnet und elektrisch leitend mit dem Halbleiterbauelement verbunden. Die Kontaktbahn erstreckt sich über die Seitenfläche des Halbleiterbauelements hinaus und ist auf der Isolationsschicht angeordnet. Die Kontaktbahn ist bezüglich einer im Betrieb der Vorrichtung senkrecht zu der Seitenfläche auftretenden thermo-mechanischen Beanspruchung entlastet.
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Mittels der Entlastung der Kontaktbahn bezüglich der auftretenden thermo-mechanischen Beanspruchung ist die Gefahr minimiert, dass im Betrieb auftretende Temperaturwechsel, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten für den Träger und die Isolationsschicht, zu einem Bruch einer oder mehrerer Kontaktbahnen führen. Die Langzeitstabilität der Vorrichtung in deren Betrieb ist so signifikant erhöht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung schließen die Isolationsschicht und der Träger an einer Seitenfläche der Vorrichtung bündig ab. Bei der Herstellung der Vorrichtung können mehrere Vorrichtungen nebeneinander gleichzeitig hergestellt und nachfolgend vereinzelt werden. Beim Vereinzeln in die Vorrichtungen werden die Isolationsschicht und der Träger durchtrennt, so dass die Isolationsschicht und der Träger bündig an der Seitenfläche der Vorrichtung, die beim Vereinzeln entsteht, abschließen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kontaktbahn eine Duktilität von mindestens 10 % auf. Beispielsweise liegt die Duktilität zwischen einschließlich 15 % und einschließlich 25 %. Je höher die Duktilität eines Werkstoffs ist, desto stärker kann sich dieser unter Belastung verformen, bevor er reißt. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige hochduktile Kontaktbahn zu einer Verringerung der auftretenden thermo-mechanischen Beanspruchung der Kontaktbahn führt und ein Bruchrisiko vermindert ist. Beispielsweise eignet sich für die Kontaktbahn ein galvanisch abgeschiedenes Kupfer-Material.
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Die Kontaktbahn kann einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Kontaktbahn eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisen, wobei die erste Schicht Titan und die zweite Schicht Kupfer enthält.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Kontaktbahn frei von Nickel. Es hat sich gezeigt, dass Nickel zu spröde Oberflächen bilden kann, so dass Nickel-haltige Kontaktbahnen bereits bei vergleichsweise geringen thermo-mechanischen Belastungen brechen können. Insbesondere sind bei einer mehrschichtigen Kontaktbahn alle Schichten frei von Nickel.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Kontaktbahn in lateraler Richtung so strukturiert, dass senkrecht zur Seitenfläche des Halbleiterbauelements eine Federwirkung eintritt. Mittels der Federwirkung kann eine Entlastung der Kontaktbahn gegenüber thermo-mechanischen Spannungen auf einfache Weise erzielt werden. Alternativ oder ergänzend weist die Isolationsschicht in lateraler Richtung und/oder in vertikaler Richtung eine Strukturierung auf, die zur Ausbildung oder Verstärkung einer Federwirkung vorgesehen ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kontaktbahn eine mäanderförmige Struktur auf. Insbesondere weist die mäanderförmige Struktur zumindest zwei Windungen auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Kontaktbahn eine Strukturierung mit zumindest einer Aussparung auf. Die Aussparung erstreckt sich insbesondere in vertikaler Richtung vollständig durch die Kontaktbahn hindurch. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Aussparungen vorgesehen sein, die beispielsweise eine wabenförmige oder porenartige Struktur der Kontaktbahn bildet. Es hat sich gezeigt, dass mittels einer oder mehrerer Aussparungen eine reversible mechanische Verformung der Kontaktbahnen auf eine thermo-mechanische Beanspruchung der Vorrichtung hin gefördert werden kann. Dadurch kann das Auftreten von Brüchen in der Kontaktbahn vermieden werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung sind mittels der zumindest einen Aussparung zwei Teilbereiche der Kontaktbahn gebildet, die in Aufsicht auf die Vorrichtung zumindest bereichsweise parallel zueinander verlaufen. Die Teilbereiche sind elektrisch leitend miteinander verbunden und befinden sich im Betrieb der Vorrichtung auf demselben elektrischen Potential. Aufgrund der verringerten Querausdehnung der einzelnen Teilbereiche der Kontaktbahn kann sich die Kontaktbahn im Vergleich zu einer einzelnen Kontaktbahn ohne Teilbereiche bei gleicher Stromtragfähigkeit insgesamt durch eine höhere Belastbarkeit bezüglich thermo-mechanischer Beanspruchungen auszeichnen.
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Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel weist die Kontaktbahn eine Dicke, also eine vertikale Ausdehnung von höchstens 30 µm, auf. Vorzugsweise liegt die Dicke der Kontaktbahn zwischen einschließlich 5 µm und einschließlich 15 µm.
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Es hat sich gezeigt, dass mit den angegebenen Schichtdicken für die Kontaktbahn eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber thermo-mechanischen Spannungen erzielt werden kann. Die Breite der Kontaktbahn ist zweckmäßigerweise derart an die Schichtdicke angepasst, dass der Querschnitt der Kontaktbahn so groß ist, dass eine hinreichend hohe Stromtragfähigkeit gewährleistet ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung in lateraler Richtung außerhalb des Halbleiterbauelements beziehungsweise der Halbleiterbauelemente eine weitere Schicht auf, die zwischen dem Träger und der Kontaktbahn angeordnet ist. Der Begriff „weitere Schicht“ bezeichnet allgemein ein zwischen dem Träger und der Kontaktbahn angeordnetes Element. Die weitere Schicht kann direkt auf dem Träger ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Beschichtung oder in Form einer auf den Träger aufgebrachten Formmasse. Die weitere Schicht kann aber auch ein vorgefertigtes Element sein, das an dem Träger befestigt ist. Die Summe der Schichtdicken der weiteren Schicht und der Isolationsschicht entspricht insbesondere dem Abstand der Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterbauelements vom Träger. Mittels der weiteren Schicht kann die Dicke der Isolationsschicht verringert werden, ohne dass sich der Abstand der vom Träger abgewandten Oberfläche der Isolationsschicht zum Träger verändert. Zweckmäßigerweise ist die weitere Schicht bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten besser an den Träger angepasst als die Isolationsschicht. Das bedeutet, der Betrag der Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der weiteren Schicht und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers ist kleiner, beispielsweise um mindestens 20 % kleiner, als der Betrag der Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Isolationsschicht und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers. Die weitere Schicht kann ein Metall oder eine metallische Legierung, ein Halbleitermaterial oder einen Kunststoff enthalten.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die weitere Schicht in einer Einbuchtung der Isolationsschicht angeordnet. Insbesondere überlappt die Einbuchtung mit der Kontaktbahn zumindest bereichsweise in Aufsicht auf die Vorrichtung. Im Bereich der Einbuchtung weist die Isolationsschicht im Vergleich zu einer Stelle der Isolationsschicht seitlich der Einbuchtung eine verringerte Dicke auf. Die Einbuchtung kann sich in vertikaler Richtung vollständig oder nur teilweise durch die Isolationsschicht hindurch erstrecken. Die weitere Schicht füllt die Einbuchtung vollständig oder zumindest bereichsweise. Bei einer vollständig befüllten Einbuchtung kann die Kontaktbahn eben über die in der Einbuchtung der Isolationsschicht angeordnete weitere Schicht verlaufen. Bei einer elektrisch leitfähigen weiteren Schicht kann die weitere Schicht in der Einbuchtung auch eine Durchkontaktierung bilden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Isolationsschicht auf der dem Träger abgewandten Seite der weiteren Schicht angeordnet. Vorzugsweise bedeckt die Isolationsschicht die weitere Schicht vollständig. Die weitere Schicht ist in Aufsicht auf die Vorrichtung also nicht sichtbar und kann daher insbesondere unabhängig von ihren optischen Eigenschaften gewählt sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Isolationsschicht zwischen der weiteren Schicht und dem Halbleiterbauelement angeordnet. In dieser Ausführungsform können die Schichtdicke der Isolationsschicht und die Schichtdicke der weiteren Schicht gleich oder im Wesentlichen gleich, das heißt mit einer Abweichung von höchstens 10 % zueinander, sein.
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Beispielsweise weist die weitere Schicht einen Anschlussträger mit Leiterbahnen auf und die Kontaktbahn ist über die Isolationsschicht zum Anschlussträger geführt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung weist der Träger eine Vertiefung auf, in der das zumindest eine Halbleiterbauelement angeordnet ist. Insbesondere können bei einer Ausgestaltung mit mehreren Halbleiterbauelementen alle Halbleiterbauelemente in einer gemeinsamen Vertiefung angeordnet sein.
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Eine vertikale Ausdehnung der Vertiefung ist vorzugsweise so groß, dass die Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterbauelements an der Seitenfläche des Halbleiterbauelements bündig mit der Isolationsschicht abschließt. Die Kontaktbahn kann so eben, also ohne einen sprunghaften Übergang, über die Seitenflächen des Halbleiterbauelements geführt sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Isolationsschicht einen Rampenbereich auf, in dem eine Dicke der Isolationsschicht mit zunehmendem Abstand vom Halbleiterbauelement abnimmt. Insbesondere endet die Isolationsschicht auf der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite des Rampenbereichs auf Höhe der Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterbauelements. Auf der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite des Rampenbereichs kann die Isolationsschicht eine vergleichsweise geringe Dicke aufweisen. Beispielsweise beträgt die Dicke der Isolationsschicht in diesem Bereich höchstens 50 %, vorzugsweise höchstens 20 % der vertikalen Ausdehnung des optoelektronischen Halbleiterbauelements. Das Auftreten thermo-mechanischer Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Isolationsschicht und dem Träger ist so verringert. Zweckmäßigerweise ist die Isolationsschicht in diesem Bereich zumindest so dick ausgebildet, dass sie eine hinreichend hohe Reflektivität für die vom Halbleiterbauelement zu empfangende und/oder zu erzeugende Strahlung aufweist.
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Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
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Es zeigen:
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Die 1A und 1B ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung in schematischer Aufsicht (1B) und zugehöriger Schnittansicht (1A);
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die 2A und 2B ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung in schematischer Aufsicht (2B) und zugehöriger Schnittansicht (2A);
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die 3A und 3B ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung in schematischer Aufsicht (3B) und zugehöriger Schnittansicht (3A); und
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die 4 bis 9 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung in schematischer Schnittansicht.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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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 eine Vorrichtung ist in 1A in schematischer Aufsicht und einer zugehörigen Schnittansicht entlang der Linie AA’ in 1B gezeigt.
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Die Vorrichtung 1 weist einen Träger 5 auf, an dem eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen 2 befestigt ist. Auf dem Träger ist eine Isolationsschicht 4 angeordnet. Die Isolationsschicht 4 grenzt jeweils an die Seitenflächen 25 der Halbleiterbauelemente 2 an. Insbesondere sind die Zwischenräume 7 zwischen benachbarten Halbleiterbauelementen mit der Isolationsschicht 4 befüllt. Weiterhin grenzt die Isolationsschicht 4 an den Träger 5 an. Die Isolationsschicht kann direkt auf dem Träger ausgebildet werden, beispielsweise durch Spritzgießen (injection molding), durch Spritzpressen (transfer molding) oder durch einen Dispenser. Für den Träger eignet sich beispielsweise eine Keramik, etwa Aluminiumnitrid oder Bornitrid, oder ein Halbleitermaterial, etwa Silizium oder Germanium. Auch ein metallischer Träger, beispielsweise ein Kupferträger oder ein Aluminiumträger, kann Anwendung finden.
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In lateraler Richtung ist die Vorrichtung 1 durch Seitenflächen 11 begrenzt. An den Seitenflächen 11 schließen die Isolationsschicht 4 und der Träger 5 zumindest stellenweise bündig miteinander ab.
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Das Halbleiterbauelement 2 weist auf einer dem Träger 5 abgewandten Seite eine Strahlungsdurchtrittsfläche 22 auf. Die Halbleiterbauelemente 2 weisen jeweils einen Halbleiterkörper 20 mit einem zum Erzeugen und/oder Empfangen von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (nicht explizit dargestellt) auf. Die Halbleiterbauelemente 2 selbst sind ungehäust ausgebildet. Weiterhin umfasst das Halbleiterbauelement 2 jeweils ein Strahlungskonversionselement 3. Das Strahlungskonversionselement 3 ist auf dem Halbleiterkörper 20 angeordnet und dafür vorgesehen, vom Halbleiterkörper 20 emittierte Strahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung umzuwandeln. Beispielsweise kann das Strahlungskonversionselement 3 dafür vorgesehen sein, vom Halbleiterbauelement 2, insbesondere vom aktiven Bereich des Halbleiterkörpers, emittierte Strahlung im blauen Spektralbereich teilweise in Strahlung im gelben Spektralbereich umzuwandeln, so dass das Halbleiterbauelement insgesamt für das menschliche Auge weiß erscheinende Strahlung abstrahlt.
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Abhängig von der von dem Halbleiterbauelement 2 zu erzeugenden Strahlung kann auf das Strahlungskonversionselement 3 auch verzichtet werden. In diesem Fall kann der Halbleiterkörper 20 oder eine auf dem Halbleiterkörper 20 angeordnete Schicht die Strahlungsdurchtrittsfläche 22 bilden.
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Die Halbleiterbauelemente 2 sind über eine Verbindungsschicht 8, etwa eine Klebeschicht oder Lotschicht an dem Träger 5 befestigt.
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Die Isolationsschicht 4 ist für die zu erzeugende Strahlung reflektierend ausgebildet. Für die Isolationsschicht eignet sich ein Polymermaterial, beispielsweise Silikon, das mit Partikeln, etwa Titandioxid-Partikeln, zur Erhöhung der Reflektivität gefüllt ist.
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Die Isolationsschicht 4 bedeckt die Seitenfläche 25 des Halbleiterbauelements 2, insbesondere die Seitenfläche des Halbleiterkörpers 20 vollständig. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die im Betrieb erzeugte Strahlung nicht seitlich, sondern nur durch die Strahlungsdurchtrittsfläche 22 austreten kann. Die Isolationsschicht 4 grenzt auch an das Strahlungskonversionselement 3 an, so dass die Strahlung, die seitlich aus dem Strahlungskonversionselement austreten würde, von der Isolationsschicht in das Halbleiterbauelement zurückreflektiert wird.
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Für die Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung der Halbleiterbauelemente 2 weisen die Halbleiterbauelemente jeweils Anschlüsse 21 auf. Die Anschlüsse 21 sind jeweils mit einer Kontaktbahn 6 elektrisch leitend verbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind lediglich exemplarisch sechs Halbleiterbauelemente gezeigt. Die Halbleiterbauelemente können zwei vorderseitige Anschlüsse, also zwei Anschlüsse seitens der Strahlungsdurchtrittsfläche 22 oder einen vorderseitigen und einen rückseitigen Anschluss aufweisen. Die Halbleiterbauelemente können einzeln oder in Gruppen zueinander parallel und/oder zueinander in Serie verschaltet sein.
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Die Vorrichtung 1 weist weiterhin Kontaktflächen 65 für die externe elektrische Kontaktierung der Vorrichtung auf. Bei Anliegen einer elektrischen Spannung zwischen den Kontaktflächen 65 können über die Kontaktbahnen 6 Ladungsträger in die Halbleiterkörper 20 der Halbleiterbauelemente 2 injiziert werden und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren.
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Die Kontaktbahn 6 verläuft auf Höhe der Seitenfläche 25 des Halbleiterbauelements eben oder im Wesentlichen eben über die Seitenfläche 25 hinaus auf einer vom Träger 5 abgewandten Oberfläche der Isolationsschicht 4. Über die Kontaktbahnen 6 wird eine planare Kontaktierung der Halbleiterbauelemente frei von Drahtbond-Verbindungen erzielt.
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Zur mechanischen Entlastung der Kontaktbahn bei im Betrieb der Vorrichtung auftretenden thermo-mechanischen Spannungen, die senkrecht zur Seitenfläche 25 des Halbleiterbauelements wirken, weisen die Kontaktbahnen 6 eine Duktilität von mindestens 10 % auf.
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Die Bruchgefahr der Kontaktbahn 6 aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Isolationsschicht 4 und des Trägers 5, insbesondere im Bereich der Seitenfläche 25 des Halbleiterbauelements kann dadurch signifikant verringert werden.
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Die Kontaktbahn 6 kann einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein, beispielsweise eignet sich für die Kontaktbahn eine Ausgestaltung mit einer Titan-Teilschicht und einer Kupfer-Teilschicht. Bei einer Kupfer-Kontaktbahn mit einer Schichtdicke von 40 µm konnte eine Duktilität zwischen einschließlich 15 % und einschließlich 25 %, eine Zugfestigkeit zwischen etwa 250 N/mm2 und 400 N/mm2, eine Bruchkraft von etwa 150 N bis 200 N und eine Elongation von etwa 15 % bis etwa 30 % erzielt werden.
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Im Unterschied hierzu sind konventionelle Kontaktbahnen, die beispielsweise Nickel enthalten, spröder und daher empfindlicher gegenüber thermischen Beanspruchungen.
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Alternativ oder ergänzend zur Ausgestaltung der Kontaktbahn mittels einer hochduktilen Schicht kann eine Entlastung bezüglicher thermo-mechanischer Beanspruchung auch durch eine reduzierte Dicke der Kontaktbahn erzielt werden. Hierfür beträgt die Dicke der Kontaktbahn 6 höchstens 30 µm. Vorzugsweise liegt die Dicke der Kontaktbahn zwischen einschließlich 5 µm und einschließlich 15 µm. Es hat sich gezeigt, dass mit einer Kontaktbahn in diesem Dickenbereich eine gute mechanische Stabilität bei gleichzeitig guter Stromtragfähigkeit erzielt werden kann.
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Anhand der nachfolgenden Figuren werden weitere Ausführungsbeispiele beschrieben, in denen die Kontaktbahn bezüglich einer im Betrieb der Vorrichtung senkrecht zu der Seitenfläche 25 auftretenden thermo-mechanischen Beanspruchung entlastet ist. Die im Zusammenhang mit diesen Ausführungsbeispielen beschriebenen Maßnahmen können alternativ oder ergänzend zu der hochduktilen Ausgestaltung und/oder der reduzierten Dicke der Kontaktbahnen 6 Anwendung finden.
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Das in den 2A und 2B dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weisen die Kontaktbahnen 6 jeweils eine Aussparung 62 auf, mittels derer zwei parallel zueinander verlaufende Teilbereiche 63 gebildet sind. Selbstverständlich können die Kontaktbahnen auch mehr als zwei parallele Teilbereiche aufweisen. Durch die Unterteilung der Leiterbahn in mehrere schmale Teilbereiche wird die Flexibilität der Kontaktbahn bezüglich thermo-mechanischer Belastungen erhöht. Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend können die Kontaktbahnen 6 in Querrichtung, also quer zu ihrer Haupterstreckungsrichtung, auch mehr als eine Aussparung aufweisen. Beispielsweise können die Aussparungen eine wabenförmige Struktur der Kontaktbahn bilden. Auch Poren in der Kontaktbahn 6 sind denkbar.
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Bei dem in den 3A und 3B dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel die Entlastung der Kontaktbahn gegenüber thermo-mechanischen Beanspruchungen durch eine geometrische Ausgestaltung realisiert, die eine Federwirkung bewirkt. Eine solche Federwirkung kann, wie in den 3A und 3B dargestellt, durch eine mäanderförmige Struktur 61 der Kontaktbahn 6 realisiert sein. Zusätzlich zur Strukturierung der Kontaktbahn 6 weist die Isolationsschicht 4 in diesem Ausführungsbeispiel im Bereich der mäanderförmigen Struktur 61 eine Mehrzahl von Ausnehmungen 48 auf. Die dem Träger 5 abgewandte Oberfläche 40 der Isolationsschicht 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel also nicht eben ausgebildet. Die Kontaktbahn 6 folgt der Oberfläche der Isolationsschicht im Bereich der Ausnehmungen. Mittels der Ausnehmungen 48 kann die Federwirkung noch weitergehend verstärkt werden.
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In dem in 3B gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Ausnehmungen 48 grabenförmig, wobei eine Haupterstreckungsrichtung der Gräben jeweils parallel zu den den Gräben nächst gelegenen Seitenflächen 25 der Halbleiterbauelemente 2 verläuft. Davon abweichend kann die Isolationsschicht 4 aber auch eine andere Form der Strukturierung aufweisen oder unstrukturiert sein. Weiterhin können alternativ oder ergänzend zur mäanderförmigen Struktur der Kontaktbahnen 6 auch Mehrfachanbindungen der Halbleiterbauelemente, beispielsweise sternförmig verlaufende Kontaktbahnen, vorgesehen sein.
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Das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenem ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die Vorrichtung 1 eine weitere Schicht 45 auf. Die weitere Schicht 45 ist zwischen der Isolationsschicht 4 und dem Träger 5 angeordnet, insbesondere in lateraler Richtung außerhalb der Halbleiterbauelemente 2. Die vom Träger 5 abgewandte Oberfläche 40 der Isolationsschicht 4 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel bündig zur Strahlungsdurchtrittsfläche 22 der Halbleiterbauelemente 2 angeordnet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist jedoch die Dicke der Isolationsschicht 4 verringert. In Aufsicht auf die Vorrichtung 1 überdeckt die Isolationsschicht 4 die weitere Schicht 45 vollständig. Die weitere Schicht 45 kann bezüglich des Materials daher unabhängig von den optischen Eigenschaften, insbesondere von den Reflexionseigenschaften gewählt werden. Zweckmäßigerweise weist die weitere Schicht 45 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der besser an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten 5 angepasst ist als die Isolationsschicht 4.
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Die weitere Schicht 45 kann beispielsweise auf dem Träger 5 ausgebildet, beispielsweise abgeschieden oder mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Spritzpressverfahrens hergestellt sein. Die Isolationsschicht 4 kann so dünn ausgebildet werden, dass so noch eine hinreichend hohe Reflektivität aufweist und gleichzeitig auf die Kontaktbahn 6 nur eine erheblich reduzierte thermo-mechanische Beanspruchung ausübt. Vorzugsweise ist die weitere Schicht 45 mindestens doppelt so dick wie Isolationsschicht 4.
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Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 4 beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die weitere Schicht 45 ein vorgefertigtes Element, beispielsweise ein Plättchen aus einem Halbleitermaterial, etwa Silizium. Weiterhin ist die weitere Schicht 45 in lateraler Richtung von dem nächstgelegenen Halbleiterbauelement 2 beabstandet. Zwischen der Seitenfläche 25 des Halbleiterbauelements 2 und der weiteren Schicht 45 ist die Isolationsschicht 4 ausgebildet. Die Gefahr einer Strahlungsabsorption von seitlich aus dem Halbleiterbauelement 2 austretender Strahlung durch die weitere Schicht 45 kann so verhindert werden. Die Dicke der Isolationsschicht 4 ist also in dem mit der weiteren Schicht überlappenden Bereich geringer als seitlich der weiteren Schicht 45.
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Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass der Träger 5 eine Vertiefung 51 aufweist, in der die Halbleiterbauelemente 2 angeordnet sind. Die Halbleiterbauelemente sind in einer gemeinsamen Vertiefung angeordnet. Der Abstand zwischen den Halbleiterbauelementen kann so minimiert werden. Davon abweichend können die Halbleiterbauelemente 2 auf mehr zwei oder mehr Vertiefungen verteilt sein. Durch die Vertiefung kann ähnlich wie im Zusammenhang mit 4 beschrieben bereichsweise die Dicke der Isolationsschicht 4 auf dem Träger 5, insbesondere seitlich der Vertiefung, verringert werden. Lediglich innerhalb der Vertiefung, insbesondere im unmittelbar an die Seitenfläche 25 angrenzenden Bereich, entspricht die Dicke der Isolationsschicht 4 im Wesentlichen der vertikalen Ausdehnung der Halbleiterbauelemente 2. Seitlich der Vertiefung 51 ist die Dicke der Isolationsschicht vorzugsweise höchstens halb so groß wie in der Vertiefung. Die vertikale Ausdehnung der Vertiefung ist vorzugsweise so an das Halbleiterbauelement 2 angepasst, dass das in der Vertiefung angeordnete Halbleiterbauelement aus der Vertiefung herausragt. Die Isolationsschicht 4 und die Strahlungsdurchtrittsfläche 22 schließen in vertikaler Richtung bündig ab.
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Bei dem in 7 dargestellten siebten Ausführungsbeispiel wird die Verringerung der Dicke der Isolationsschicht 4 im Unterschied zu dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass der Träger 5 selbst eben ist und die Isolationsschicht 4 einen Rampenbereich 41 aufweist, in dem die Dicke der Isolationsschicht mit zunehmendem Abstand von dem nächstgelegenen Halbleiterbauelement 25 abnimmt. In einem auf der vom nächstgelegenen Halbleiterbauelement 25 abgewandten Seite des Rampenbereichs angeordneten Bereich kann die Isolationsschicht 4 wie im Zusammenhang mit 4 beschrieben eine vergleichsweise geringe Dicke aufweisen. Der Rampenbereich kann durch Materialabtrag der Isolationsschicht 4, beispielsweise durch Fräsen oder durch Laserablation, ausgebildet werden. Alternativ kann die Isolationsschicht bereits derart auf dem Träger ausgebildet werden, dass sie den Rampenbereich aufweist, etwa durch ein geeignetes Formwerkzeug für ein Spritzgieß- oder Spritzpressverfahren.
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Das in 8 dargestellte achte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 5 beschriebenen fünften Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die weitere Schicht 45 einen Anschlussträger 46 mit Leiterbahnen 47 auf. Beispielsweise kann der Anschlussträger 46 eine Leiterplatte, etwa eine FR4-Leiterplatte sein. Die Leiterbahn 47 ist bereichsweise von einer Lötstoppschicht 49 überdeckt. In einer Aussparung 490 der Lötstoppschicht 49 ist die Kontaktbahn 6 mit der Leiterbahn 47 des Anschlussträgers elektrisch leitend verbunden. Zwischen dem Anschlussträger 46 und dem nächstgelegenen Halbleiterbauelement 25 ist die Isolationsschicht 4 ausgebildet. Die Kontaktbahn 6 verläuft über die Isolationsschicht 4 von dem Halbleiterbauelement 25 zu dem Anschlussträger 46. Die Kontaktbahn 6 bildet im Unterschied zu dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel also eine lediglich vergleichsweise kurze Metallisierungsbrücke. Diese stellt eine thermo-mechanisch stabile elektrische Verbindung zum Halbleiterbauelement 2 her.
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Das in 9 dargestellte neunte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 5 beschriebenen fünften Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die weitere Schicht 45 in einer Einbuchtung 44 der Isolationsschicht 4 angeordnet. Die Einbuchtung kann sich in vertikaler Richtung vollständig oder nur bereichsweise durch die Isolationsschicht hindurch erstrecken. Die weitere Schicht bildet ein Füllmaterial, mit dem die Einbuchtung 44 befüllt ist. Die Einbuchtung kann beispielsweise galvanisch befüllt, mit einem Lotmaterial befüllt, oder mittels Druckens befüllt sein. Im Bereich der Einbuchtung ist das unmittelbar über der Kontaktbahn 6 angeordnete Material der Isolationsschicht 4 vollständig entfernt oder zumindest gedünnt, so die mechanische Belastung auf die Kontaktbahn infolge einer thermischen Ausdehnung der Isolationsschicht reduziert ist.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was also insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
